DE102019111367A1 - Leistungselektronik-Modul mit verbesserter Kühlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5) sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers (5) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (10) und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers (5) thermisch kontaktierten Kühlkörper (20), wobei auf der Oberseite des Schaltungsträgers (5) eine die Baugruppe (10) überspannende und flächig überdeckende Wärmeleitbrücke (30) montiert ist, wobei die Wärmeleitbrücke (30) wenigstens an Montagepunkten benachbart der Baugruppe (10) thermisch mit dem Kühlkörper (20) kontaktiert ist und wobei der Raum zwischen Wärmeleitbrücke (30) und Schaltungsträger (5) mit einer die Baugruppe (10) einbettenden, wärmeleitenden Vergussmasse (50) ausgefüllt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers thermisch kontaktierten Kühlkörper.
  • Baugruppen der Leistungselektronik umfassen eine zur elektrischen Verschaltung vorstrukturierte Platine bestückt mit auf hohe Ströme ausgelegten Bauelementen. Die Baugruppe verkörpert die im Betrieb stromdurchflossenen Bestandteile eines Leistungselektronik-Moduls. Sie stellt somit eine Wärmequelle infolge der ohmschen Verlustleistung dar.
  • Andere Bestandteile des Moduls dienen u. a. zum Abtransport der generierten Wärme über eine Kontaktfläche zu einer Wärmesenke, wobei die primäre Wärmesenke üblich ein luft- oder wassergekühlter Kühlkörper ist. Bei hohen Strömen und zugleich ungenügender Kühlung droht die Zerstörung der Baugruppe.
  • Gängige Schaltungsträger sind z.B. Kupfer-Stanzgitter oder organisch oder keramisch isolierte Leiterplatten, die eine Leiterbahnenstruktur aufweisen. Die Bauelemente sind durch gepresste oder stofflich verbundene Kontaktelemente, beispielsweise Bonddrähte oder Bändchen, elektrisch mit den Leiterbahnen des Schaltungsträgers verbunden. Schaltungsträger sind entweder selbst wärmespreizend ausgelegt, beispielsweise durch eine ggf. dicke metallische Schicht auf der Unterseite, die durch eine dielektrische Beschichtung von den stromführenden Leitern der Oberseite elektrisch isoliert ist, oder sie sind keramisch ausgebildet mit auf der Oberseite angeordneten, typisch dünnen Leiterbahnen und werden auf einer separaten metallischen Wärmespreizplatte montiert.
  • Im Kontext der vorliegenden Beschreibung erfolgt Wärmespreizung immer an der Unterseite des Schaltungsträgers, d.h. der Schaltungsträger kann eine zusätzlich montierte Wärmespreizplatte aufweisen oder auch selbst wärmespreizend wirken. Die Unterseite des Schaltungsträgers steht kraft- und formschlüssig in thermischem Kontakt zu einer primären Wärmesenke. Auf der Oberseite des Schaltungsträgers wird demgegenüber die Wärme durch ohmsche Verluste in der Baugruppe erzeugt.
  • Die Baugruppe ist gängig in einem elektrischen Isolationsmaterial wie etwa Silikongel oder einem elektrisch isolierenden Epoxidharz eingebettet - oder auch: vergossen -, wobei das Isolationsmaterial oftmals eine ebenso hochwertige thermische Isolation aufweist. Nur die externen Anschlusskontakte eines Leistungselektronik-Moduls verbleiben frei liegend.
  • Der Abtransport der Wärme von der Baugruppe zum Kühlkörper findet auf zwei Zeitskalen statt: Impulsleistungen (< 1 Sekunde) und Dauerleistungen (» 1 Sekunde). Impulsleistungen sind zu kurz, um unmittelbar die Wärmesenke zu erreichen und müssen temporär in der thermischen Masse des Isolationsmaterials in der Nähe der Baugruppe aufgenommen werden. Dauerleistungen hingegen führen zu einem stetigen Wärmestrom der Verlustleistung durch alle thermisch leitfähigen Materialien zur Wärmesenke entlang des thermischen Gradienten.
  • Zur Verbesserung der Kühlung wurden bereits gut wärmeleitende und zugleich elektrisch isolierende Vergussmassen als Isolationsmaterialien vorgeschlagen, beispielsweise in der DE 1 514 413 A1 ein anorganischer Zement. Die Druckschrift EP 3 066 684 B1 nutzt ebenfalls einen wärmeleitenden Zement, um auf dessen Oberfläche, die oberhalb einer Baugruppe auf der Bestückungsseite der Wärmespreizplatte liegt, einen zweiten Kühlkörper in thermischem Kontakt anzuordnen (vgl. insbes. 3 und 4 der EP 3 066 684 B1 ).
  • Der thermisch leitende Zement ist durchaus gut geeignet, Impulsleistungen aufzunehmen. Seine Wärmeleitfähigkeit (i. F. Wärmeleitwert) liegt jedoch in einem Bereich zwischen 1 und 20 W/(m*K) und damit ein bis zwei Größenordnungen unter dem Wärmeleitwert eines gängigen Kühlkörpers. Im Dauerbetrieb erfolgt das Aufheizen des Leistungsmoduls der EP 3 066 684 B1 trotz der zweiseitigen Kühlung der Baugruppe sehr asymmetrisch, weil das Gros der erzeugten Wärme vorrangig an den Kühlkörper auf der Unterseite der Wärmespreizplatte abgegeben werden kann. Der zweite Kühlkörper auf der Oberfläche der Vergussmasse arbeitet also bei Weitem nicht effektiv.
  • Am Markt erhältliche Leistungsmodule weisen ohnehin eine einseitige, plane Wärmespreizplatte auf, über die der Wärmeabtransport auch nur einseitig zur primären Wärmesenke, einem luft- oder wassergekühlten Kühlkörper, hin erfolgt. Dieser Aufbau ist weltweit üblich und besitzt etablierte Montagegrößen der Wärmespreizplatten auf der einen Seite und Platinenmontagetechnik (through hole Montage-Pins) auf der anderen, deren Änderung kosten- und platzaufwändig wäre.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung vorzuschlagen, die die etablierte Montage- und Kühlanordnung unverändert lässt, aber die Effizienz der einseitigen Kühlung deutlich verbessert.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers thermisch kontaktierten Kühlkörper, wobei auf der Oberseite des Schaltungsträgers eine die Baugruppe überspannende und flächig überdeckende Wärmeleitbrücke montiert ist, wobei die Wärmeleitbrücke wenigstens an Montagepunkten benachbart der Baugruppe thermisch mit dem Kühlkörper kontaktiert ist und wobei der Raum zwischen Wärmeleitbrücke und Schaltungsträger mit einer die Baugruppe einbettenden, wärmeleitenden Vergussmasse ausgefüllt ist.
  • Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der bereits erwähnte wärmeleitende Zement als Vergussmasse zwar eine ausreichende thermische Masse zur Aufnahme von Impulsleistung bietet, aber bei Dauerleistung der Wärmetransport durch den Zement nicht ausreicht, um jene Bereiche der Baugruppe zu kühlen, die aufgrund der Bauhöhe der Bauelemente relativ weit vom Schaltungsträger entfernt gelegen sind. Die dort erzeugte Wärme benötigt kürzere Transportpfade durch den Zement als nach dem Stand der Technik derzeit angeboten werden, um schnell abtransportiert zu werden.
  • Diese kürzeren Wärmepfade lassen sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass in nahem Abstand - aber ohne direkten Kontakt - zu den weit vom Schaltungsträger entfernten Bauelementbereichen eine sehr gut wärmeleitende Wärmeleitbrücke angeordnet ist. Die Wärmeleitbrücke ist dabei als eine die Baugruppe überspannende und flächig überdeckende Struktur aus einem Material gebildet, das einen sehr viel höheren Wärmeleitwert besitzt als der Zement bzw. die wärmeleitende Vergussmasse. Bevorzugt besteht die Wärmeleitbrücke aus einem Metallblech, z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Sie ist wenigstens an dazu vorgesehenen Montagepunkten mit dem Kühlkörper in thermischen Kontakt, d.h. sie kann die Wärme direkt an den Kühlkörper abgeben, welche die Wärmeleitbrücke konduktiv von der Oberseite der Baugruppe heranführt. Beispiels- und vorzugsweise ist die Wärmeleitbrücke mittels metallischer Stifte oder Schrauben montiert, wobei die Stifte oder Schrauben bis in den Kühlkörper hineinragen und den Kühlkörper thermisch kontaktieren. Dies Stifte oder Schrauben (Montagemittel) können dabei entweder am Schaltungsträger vorbei oder benachbart zu einer Baugruppe durch ihn hindurchgeführt sein. Wärmeleitbrücke, Montagemittel und Kühlkörper sind durchgehend elektrisch von der Baugruppe isoliert. Der Raum zwischen Wärmeleitbrücke und Schaltungsträger ist mit der wärmleitenden Vergussmasse ausgefüllt unter Einbettung der Baugruppe in die Vergussmasse. Es besteht dadurch die Möglichkeit der vergleichbar guten thermischen Kontaktierung der Baugruppe an der Unterseite zum Schaltungsträger hin und an der Oberseite zur Wärmeleitbrücke hin, die beide die Wärme an den Kühlkörper abgeben.
  • Als eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist anzusehen, dass die Wärmeleitbrücke auf ihrer der Baugruppe zugewandten Seite zusätzlich mit wenigstens einem Vorsprung versehen werden kann. Ein solcher Vorsprung kann die Wärmepfade durch die Vergussmasse noch weiter verkürzen, wenn die Vorsprungposition und Vorsprunghöhe geeignet vorbestimmt werden und der wenigstens eine Vorsprung aus einem Material gebildet ist, das wenigstens den Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke aufweist.
  • Beispielsweise ist es konkret von Vorteil, wenn die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs unmittelbar über einem Bauelement der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements Kontakt vermeidend eingerichtet ist. In diesem Fall ragt der Vorsprung aus der Wärmeleitbrücke möglichst nahe an die Oberseite eines Bauelementes heran, so dass die im Bauelement erzeugte Wärme nur einen kurzen Weg durch die Vergussmasse durchqueren muss, bis sie in den sehr gut wärmeleitenden Vorsprung der Wärmeleitbrücke zum weiteren Abtransport gelangt. Dabei ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, dass zwischen dem Vorsprung und dem Bauelement stets eine minimale Schichtdicke der Vergussmasse zur elektrischen Isolierung verbleibt. Aus der vorbekannten Architektur der Baugruppe und den vorbekannten Eigenschaften der Vergussmasse lässt sich präzise ermitteln, welche Vorsprungpositionen und Vorsprunghöhen an der Wärmeleitbrücke vorzubestimmen sind. Im Extremfall kann eine Wärmeleitbrücke eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweisen, die an verschiedenen Positionen mit verschiedenen Höhen derart angeordnet sind, dass sie das Bauhöhenprofil der Baugruppe annähernd - als ein Negativ - nachbilden. In diesem Fall hätte jeder Oberflächenbereich der Baugruppe einen ungefähr gleich großen Abstand - und damit Wärmepfad durch die Vergussmasse - zur Wärmeleitbrücke.
  • Weiterhin kann es konkret vorteilhaft sein, dass die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs abseits der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe so eingerichtet ist, dass der Vorsprung den Schaltungsträger thermisch kontaktiert. In dieser Variante verläuft der Vorsprung vollständig an der Baugruppe vorbei direkt zum Schaltungsträger, der wiederum Wärme an den Kühlkörper abgeben kann. Der wenigstens eine Vorsprung stellt dann eine Abkürzung für den Wärmetransport dar, der ansonsten vorwiegend über die Montagemittel erfolgen würde. Besonders bevorzugt sind solche Abkürzungen, wenn die Wärmeleitbrücke sehr ausgedehnt ausgebildet ist und beispielsweise eine Mehrzahl benachbart angeordneter, elektrisch voneinander separierter Baugruppen überspannt und flächig überdeckt. Die Montagepunkte der Wärmeleitbrücke können dabei am Rand des Leistungsmoduls liegen, und ein als Abkürzung vorbestimmter Vorsprung im Innenbereich des Moduls beschleunigt den Wärmetransport zur primären Wärmesenke. Dabei ist es auch möglich, dass zwischen den Schaltungsträgern der Baugruppen ein Zwischenraum existiert, der einen freien Zugang zu einem gemeinsam genutzten Kühlkörper oder einer Wärmespreizplatte gewährt. Dann kann der wenigstens eine Vorsprung auch eine solche Position und Höhe besitzen, dass er von der Wärmeleitbrücke aus direkt den Kühlkörper oder die Wärmespreizplatte thermisch kontaktiert.
  • Die erfindungsgemäße Wärmeleitbrücke kann mehrere Vorsprünge aufweisen, die verschiedene der vorbeschriebenen Funktionen erfüllen, d.h. verschiedene Varianten sind simultan realisierbar.
  • Es wird als vorteilhaft angesehen, dass der Wärmeleitwert der Vergussmasse wenigstens 3 W/(m*K) beträgt. Demgegenüber soll vorzugsweise der Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke wenigstens das 20-fache des Wärmeleitwertes der Vergussmasse betragen.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren verdeutlicht werden. Dabei zeigt:
    • 1 a) die Skizze eines Leistungsmoduls mit einer ersten Wärmeleitbrücke;
    • 1 b) die Skizze eines Leistungsmodul mit einer zweiten Wärmeleitbrücke, die Vorsprünge als Abkürzungen für den Wärmetransport besitzt;
    • 2 die Skizze eines Leistungsmoduls mit drei Baugruppen überspannt und flächig überdeckt von einer gemeinsamen Wärmeleitbrücke mit Vorsprüngen verschiedener Funktion.
  • In 1 a) ist als Ausführungsbeispiel ein Leistungselektronik-Modul skizziert bestehend aus einem Schaltungsträger (5) mit Leistungsbaugruppe (10), der auf einer Wärmespreizplatte (60) montiert ist. Die Wärmespreizlatte (60) ist wiederum auf einem Kühlkörper (20) mittels Montagemitteln (40) (z.B. Schrauben oder Stifte) befestigt. Ein umlaufender Kunststoffrahmen (70) begrenzt die Vergussmasse zum Rand des Moduls und dient zugleich der mechanischen Versteifung. Die Montagemittel (40) spannen weiterhin die Wärmeleitbrücke (30) über die Baugruppe (10) hinweg auf die untere Wärmspreizplatte (60) und gleichzeitig auf den Kühlkörper (20), in den die Montagemittel (40) hineinragen. Die wärmeleitende Vergussmasse (50) ist dabei die thermische Verbindung zwischen den verlustleistungsbehafteten Oberflächen der Leistungsbauelemente, den Kontaktierungsoberflächen (Drähte, Bändchen oder Clips) und den Leiterbahnoberflächen der Leistungsbaugruppe (10) und der Wärmeleitbrücke (30). Die Vergussmasse (50) füllt vorzugsweise den gesamten Raum zwischen Wärmeleitbrücke (30) und Schaltungsträger (5) bzw. Wärmespreizplatte (60) aus. Auf diese Weise wird mittels der Montagemittel (40) auch ein Montagedruck erzeugt, der für optimale Flächenpressung sorgt.
  • Die 1 b) zeigt als eine Variante von 1 a) zunächst ein Leistungsmodul bestehend aus einem Schaltungsträger (5) mit Leistungsbaugruppe (10), der direkt auf den Hauptkühlkörper (20) montiert ist. Bei dieser Bauweise ist der keramische oder organische Schaltungsträger (5) unmittelbar in thermischem Kontakt zum Kühlkörper (20). Die Wärmeleitbrücke (30) steht in thermischem Kontakt mit der Vergussmasse (50) und führt den Wärmefluss zu internen Leitverbindungen (80), die als Vorsprünge (80) aus der Wärmeleitbrücke (30) hervortreten und auf Flächen des Schaltungsträgers benachbart der Baugruppe (10) drücken. Der Montagedruck wird ausgeübt von den Montagemitteln (40), die auch hier so ausgestaltet sind, dass sie Wärme von der Wärmeleitbrücke (30) direkt in den Kühlkörper (20) transportieren. Optional und vorteilhaft ist auch hier der Kunststoffrahmen (70).
  • Die Wärmeleitbrücke (30) besteht vorzugsweise aus hoch wärmeleitenden Materialien wie Kupfer oder Kupferlegierungen oder Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
  • Als drittes Ausführungsbeispiel zeigt 2 ein Leistungselektronik-Modul bestehend aus drei Schaltungsträgern (5) mit Baugruppen (10), die gemeinsam auf einer Wärmespreizplatte (60) benachbart und voneinander elektrisch separiert, insbesondere zueinander beabstandet, montiert sind. Die Wärmespreizplatte (60) ist wiederum auf einem Kühlkörper (20) mittels Montagemitteln (40) befestigt. Die Montagemittel (40) spannen die Wärmeleitbrücke (30) über alle drei Baugruppen (10) hinweg auf die Wärmspreizplatte (60) und gleichzeitig auf den Kühlkörper (20), in den die Montagemittel (40) hineinragen. Zusätzlich ist die Wärmeleitbrücke (30) über interne Leitverbindungen (100), die als Vorsprünge aus der Wärmeleitbrücke (30) hervortreten, durch die Vergussmasse (50) hindurch direkt mit der unteren Wärmespreizplatte (60) thermisch kontaktiert. Die Kontaktflächen der Vorsprünge (100) sind ausdrücklich neben bzw. zwischen den leistungselektronischen Schaltungsträgern (5) mit den Baugruppen (10) angeordnet. Die Vorsprünge (100) bestehen hier beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Wärmeleitbrücke (30).
  • Es zeigt sich, dass der Verlustleistungswärmeabfluss noch zusätzlich verbessert werden kann, indem weitere Vorsprünge (90) der thermischen Brücke (30) direkt über den Baugruppen (10) so angeordnet werden, dass die Wärmebrücke (30) mit Vorsprüngen (90) in ihrer Kontur dem Bauhöhenprofil der Baugruppe (10) folgt, d.h. dass die Unterseiten der Vorsprünge (90) in einem weitgehend gleichbleibend vorbestimmten Abstand über den Halbleitern und Bonddrähten der Baugruppe (10) vorliegen. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die jeweilige Vorsprunghöhe über einem Bauelement in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements elektrischen Kontakt vermeidend eingerichtet ist. Dies ist technisch leicht zu erreichen, z.B. durch eine konturgeprägte Brückenplatte oder durch zusätzlich befestigte verdickende Elemente (90).
  • Experimentelle Erprobungen der Kühlung mit einer Anordnung nach Art der 1 zeigen, dass sich mit einer wärmeleitenden Vergussmasse (anorganischer Zement) mit einem Wärmeleitwert von 5 W/(m*K) und einer erfindungsgemäßen Wärmeleitbrücke aus Aluminium mit Wärmeleitwert 180 W/(m*K) die Temperatur der Halbleiter-Baugruppe bei Dauerleistung um ca. 10 °C senken lässt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1514413 A1 [0008]
    • EP 3066684 B1 [0008, 0009]

Claims (9)

  1. Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5) sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers (5) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (10) und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers (5) thermisch kontaktierten Kühlkörper (20), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Schaltungsträgers (5) eine die Baugruppe (10) überspannende und flächig überdeckende Wärmeleitbrücke (30) montiert ist, wobei die Wärmeleitbrücke (30) wenigstens an Montagepunkten benachbart der Baugruppe (10) thermisch mit dem Kühlkörper (20) kontaktiert ist und wobei der Raum zwischen Wärmeleitbrücke (30) und Schaltungsträger (5) mit einer die Baugruppe (10) einbettenden, wärmeleitenden Vergussmasse (50) ausgefüllt ist.
  2. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) aus einem Metallblech gebildet ist.
  3. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) an den Montagepunkten mittels metallischer Stifte oder Schrauben (40) montiert ist, wobei die Stifte oder Schrauben (40) bis in den Kühlkörper (20) hineinragen und den Kühlkörper (20) thermisch kontaktieren.
  4. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) im montierten Zustand auf ihrer der Baugruppe (10) zugewandten Seite wenigstens einen Vorsprung (80, 90, 100) mit vorbestimmter Vorsprungposition und Vorsprunghöhe aufweist, der aus einem Material gebildet ist, das wenigstens den Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke (30) aufweist.
  5. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs (90) über einem Bauelement der Baugruppe (10) vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements elektrischen Kontakt vermeidend eingerichtet ist.
  6. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs (80, 100) abseits der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe so eingerichtet ist, dass der Vorsprung den Schaltungsträger (5) thermisch kontaktiert.
  7. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitwert der Vergussmasse (50) wenigstens 3 W/(m*K) beträgt.
  8. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke (30) wenigstens das 20-fache des Wärmeleitwertes der Vergussmasse (50) beträgt.
  9. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Wärmeleitbrücke (30) eine Mehrzahl von benachbart angeordneten, elektrisch voneinander separierten Baugruppen (10) überspannt und flächig überdeckt.
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