DE102019212638B4 - Method for manufacturing and applying a power electronic module to a heat sink and the resulting arrangement - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Fertigung und Aufbringung eines leistungselektronischen Moduls auf einen Kühlkörper, bei dem in einem Aufbauprozess zur Fertigung des leistungselektronischen Moduls (10) zumindest ein oder mehrere Halbleiterbauteile (4) auf ein Trägersubstrat (2) aufgebracht und mit dem Trägersubstrat (2) verbunden werden, wobei- ein Kühlkörper (9, 13) mit einer gekrümmtem Oberfläche bereitgestellt wird,- der Aufbauprozess so durchgeführt wird, dass das leistungselektronische Modul (10) nach Abschluss des Aufbauprozesses gekrümmt ist und die Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) innerhalb vorgebbarer Toleranzen einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers (9, 13) entspricht, und- das gekrümmte leistungselektronische Modul (10) anschließend mit der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers (9, 13) verbunden wird.Method for manufacturing and applying a power electronic module to a heat sink, in which at least one or more semiconductor components (4) are applied to a carrier substrate (2) and connected to the carrier substrate (2) in a construction process for manufacturing the power electronic module (10), wherein - a heat sink (9, 13) with a curved surface is provided, - the construction process is carried out in such a way that the power electronic module (10) is curved after completion of the construction process and the curvature of the power electronic module (10) is within predeterminable tolerances of a curvature corresponds to the curved surface of the heat sink (9, 13), and - the curved power electronic module (10) is then connected to the curved surface of the heat sink (9, 13).

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung und Aufbringung eines leistungselektronischen Moduls auf einen Kühlkörper, bei dem in einem Aufbauprozess zur Fertigung des leistungselektronischen Moduls zumindest ein oder mehrere Halbleiterbauteile auf ein Trägersubstrat aufgebracht und mit dem Trägersubstrat verbunden werden, sowie eine mit dem Verfahren erhaltene Anordnung.The present invention relates to a method for manufacturing and applying a power electronic module to a heat sink, in which at least one or more semiconductor components are applied to a carrier substrate and connected to the carrier substrate in a construction process for manufacturing the power electronic module, and to an arrangement obtained with the method .

Leistungselektronische Module erzeugen während des Betriebs eine starke thermische Verlustleistung und müssen daher effektiv gekühlt werden. Die Module weisen in der Regel ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat mit wenigstens einer Metallisierung auf, über die ein oder mehrere Halbleiterbauteile, insbesondere Halbleiterchips, mit dem Trägersubstrat verbunden sind. Die Metallisierung kann bei geeigneter Strukturierung auch die Funktion von Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung und/oder Kontaktierung der Halbleiterbauteile übernehmen. Leistungselektronische Module weisen häufig auch eine metallische Grundplatte auf, mit der das Trägersubstrat über eine weitere Metallisierung verbunden ist. Die Grundplatte wird dann auf einen ebenen Kühlkörper beispielsweise aufgeschraubt, um einen guten thermischen Kontakt herzustellen.Power electronic modules generate a lot of thermal power loss during operation and therefore need to be cooled effectively. The modules generally have an electrically insulating carrier substrate with at least one metallization, via which one or more semiconductor components, in particular semiconductor chips, are connected to the carrier substrate. With suitable structuring, the metallization can also take on the function of conductor tracks for electrically connecting and/or contacting the semiconductor components. Power electronic modules often also have a metallic base plate to which the carrier substrate is connected via further metallization. The base plate is then screwed onto a flat heat sink, for example, in order to establish good thermal contact.

Allerdings besteht vor allem bei leistungselektronischen Modulen mit Grundplatte häufig das Problem, dass sich das Modul aufgrund der verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der erforderlichen Prozesstemperaturen beim Aufbauprozess verbiegt, so dass die Grundplatte zum Kühlkörper hin eine konkave Form aufweisen kann, durch die ein unerwünschter Hohlraum zwischen Kühlkörper und Grundplatte entsteht.However, there is often the problem, especially with power electronic modules with a base plate, that the module bends during the assembly process due to the different materials with different thermal expansion coefficients and the required process temperatures, so that the base plate can have a concave shape towards the heat sink, which results in an undesirable A cavity is created between the heat sink and the base plate.

Stand der TechnikState of the art

Zur Vermeidung dieser Problematik ist es beispielsweise aus der DE 10 2012 215 052 A1 bekannt, beim Aufbauprozess eines leistungselektronischen Moduls eine bereits vorgebogene Grundplatte einzusetzen, die zum Kühlkörper hin eine konvexe Gestalt aufweist. Durch die gegenläufige Verbiegung während des Aufbauprozesses kann dann eine annähernd plane oder auch nur leicht konvexe Form erreicht werden, die eine bessere Anbindung des Leistungsmoduls an den Kühlkörper ermöglicht.To avoid this problem, for example, it is from the DE 10 2012 215 052 A1 It is known to use an already pre-bent base plate in the assembly process of a power electronic module, which has a convex shape towards the heat sink. By bending in the opposite direction during the assembly process, an approximately flat or even slightly convex shape can then be achieved, which enables a better connection of the power module to the heat sink.

Die DE 10 2015 219830 B3 befasst sich mit elektrischen und/oder thermischen Kontaktanordnungen zwischen zwei Kontaktelementen, beispielsweise auch zwischen einer Leistungsendstufe und einem Kühlelement. Um unterschiedliche Oberflächenformen der zu verbindenden Kontaktelemente auszugleichen, wird bei dem Verfahren dieser Druckschrift eine Ausgleichsschicht auf eine der beiden zu verbindenden Kontaktflächen gezielt mit der gewünschten Oberflächenform aufgebracht.The DE 10 2015 219830 B3 deals with electrical and/or thermal contact arrangements between two contact elements, for example between a power output stage and a cooling element. In order to compensate for different surface shapes of the contact elements to be connected, in the method of this document a compensating layer is specifically applied to one of the two contact surfaces to be connected with the desired surface shape.

Die DE 10 2012 218304 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, bei dem das Trägersubstrat auf einer Grundplatte montiert ist. Die untere Hauptoberfläche der Grundplatte wird auf einem Kühlkörper montiert. Die Grundplatte weist dafür eine plane Kontaktfläche zum Kühlkörper hin auf.The DE 10 2012 218304 A1 describes a power semiconductor module in which the carrier substrate is mounted on a base plate. The bottom main surface of the baseplate is mounted on a heatsink. The base plate has a flat contact surface towards the heat sink.

Die JP 2003 158229 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls bestehend aus einer Grundplatte, auf der über Verbindungsschichten isolierende Substrate mit darauf angeordneten Halbleiterchips aufgebracht sind. Zur Vermeidung einer Verbiegung des Moduls bei der Fertigung wird die Grundplatte während des Aufbauprozesses des Moduls in einen Formkörper mit entgegengesetzter Krümmung eingespannt, so dass sie nach Abschluss des Aufbauprozesses plan ist und problemlos an einen Kühlkörper mit einer planen Kontaktfläche angebunden werden kann.The JP 2003 158229 A describes a method for producing a power electronic module consisting of a base plate on which insulating substrates with semiconductor chips arranged thereon are applied via connecting layers. To avoid bending of the module during production, the base plate is clamped into a molded body with the opposite curvature during the assembly process of the module, so that it is flat after the assembly process has been completed and can be easily connected to a heat sink with a flat contact surface.

Die US 2002/0140084 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung, bei der ein Leitungsband mit aufgebrachten Halbleiterbauelementen um einen hohlen rohrförmigen Kühlkörper gewickelt ist.The US 2002/0140084 A1 discloses a semiconductor device in which a conduction band with applied semiconductor components is wound around a hollow tubular heat sink.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung und Aufbringung eines leistungselektronischen Moduls auf einen Kühlkörper anzugeben, das eine langlebige Anbindung an den Kühlkörper und einen verbesserten Wärmeabtransport ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method for manufacturing and applying a power electronic module to a heat sink, which enables a long-lasting connection to the heat sink and improved heat dissipation.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 11 gibt eine mit dem Verfahren erhaltene Anordnung aus leistungselektronischem Modul und Kühlkörper an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The task is solved using the method according to claim 1. Claim 11 specifies an arrangement of power electronic module and heat sink obtained with the method. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent patent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden in bekannter Weise in einem Aufbauprozess zur Fertigung des leistungselektronischen Moduls zumindest ein oder mehrere Halbleiterbauteile auf eine Oberseite eines Trägersubstrates aufgebracht. Das Trägersubstrat trägt dabei eine metallische Schicht, die auch erst während des Aufbauprozesses aufgebracht werden kann, und besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. Das eine oder die mehreren Halbleiterbauteile werden dabei mit der metallischen Schicht verbunden. Als Trägersubstrat wird vorzugsweise ein keramisches Substrat eingesetzt. Auch ein Substrat aus einem organischen Material ist jedoch möglich. Wie bereits weiter oben angeführt, kann die metallische Schicht durch geeignete Strukturierung auch die Funktion von Leiterbahnen für das leistungselektronische Modul übernehmen. Die Verbindung der Halbleiterbauteile mit der metallischen Schicht kann dabei in bekannter Weise, beispielsweise mittels einer Lottechnik erfolgen. Bei den Halbleiterbauteilen handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterchips. Weiterhin kann auch die Rückseite des Trägersubstrates eine metallische Schicht tragen oder im Aufbauprozess mit einer metallischen Schicht versehen werden und das Trägersubstrat über diese metallische Schicht mit einer elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Grundplatte verbunden werden. Die Grundplatte ist jedoch nicht in jedem Falle erforderlich. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kühlkörper mit einer gekrümmten Oberfläche bereitgestellt und der Aufbauprozess so durchgeführt wird, dass das leistungselektronische Modul nach Abschluss des Aufbauprozesses gekrümmt ist und die Krümmung innerhalb vorgebbarer Toleranzen der Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers entspricht. Die Toleranzen können hierbei beispielsweise hinsichtlich des Krümmungsradius ± 10% sein. Die Krümmung wird jedoch in jedem Falle so erzeugt, dass sie der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers näherliegt als bei einer ebenen Ausgestaltung des leistungselektronischen Moduls. Die Krümmung kann hierbei nur um eine Achse oder auch um zwei (zueinander senkrechte) Achsen vorgegeben bzw. erzeugt werden. Dies hängt von der Geometrie des Trägersubstrates und/oder der Grundplatte ab. Bei einer rechteckigen länglichen Geometrie erfolgt die Krümmung hauptsächlich um die kurze Achse. Die Lage der Krümmungsachse kann auch über eine Strukturierung des Trägersubstrates oder der Grundplatte oder durch laterale Strukturierung der Metallisierung beeinflusst werden. Das gekrümmte leistungselektronische Modul wird anschließend in geeigneter Weise mit der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers verbunden, um die Wärmeableitung aus dem leistungselektronischen Modul in den Kühlkörper sicherzustellen.In the proposed method, at least one or more semiconductor components are applied to a top side of a carrier substrate in a known manner in a construction process for producing the power electronic module. The carrier substrate carries a metallic layer, which can only be applied during the construction process, and consists of an electrically insulating material. One or more The semiconductor components are connected to the metallic layer. A ceramic substrate is preferably used as the carrier substrate. However, a substrate made of an organic material is also possible. As already stated above, the metallic layer can also take on the function of conductor tracks for the power electronic module through suitable structuring. The semiconductor components can be connected to the metallic layer in a known manner, for example using soldering technology. The semiconductor components are preferably semiconductor chips. Furthermore, the back of the carrier substrate can also carry a metallic layer or can be provided with a metallic layer in the construction process and the carrier substrate can be connected to an electrically conductive, in particular metallic, base plate via this metallic layer. However, the base plate is not required in every case. The method is characterized in that a heat sink with a curved surface is provided and the construction process is carried out in such a way that the power electronic module is curved after completion of the construction process and the curvature corresponds to the curvature of the curved surface of the heat sink within predeterminable tolerances. The tolerances can be ± 10%, for example, with regard to the radius of curvature. However, the curvature is always created in such a way that it is closer to the curved surface of the heat sink than with a flat design of the power electronic module. The curvature can only be specified or generated around one axis or around two (mutually perpendicular) axes. This depends on the geometry of the carrier substrate and/or the base plate. In a rectangular elongated geometry, the curvature occurs primarily around the short axis. The position of the axis of curvature can also be influenced by structuring the carrier substrate or the base plate or by lateral structuring of the metallization. The curved power electronic module is then suitably connected to the curved surface of the heat sink to ensure heat dissipation from the power electronic module into the heat sink.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit die bisher als Nachteil empfundene Krümmung des leistungselektronischen Moduls während des Aufbauprozesses gezielt ausgenutzt, um eine verbesserte und langlebigere Anbindung des Moduls an den Kühlkörper zu erreichen. Hierzu werden die Fertigungsparameter gezielt so gewählt, dass die gewünschte Krümmung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen erreicht wird. Zu den Fertigungsparametern zählen die Abmessungen, insbesondere die Dicke, des Trägersubstrats, der metallischen Schicht(en) und gegebenenfalls der Grundplatte und/oder eine gezielte Strukturierung der aufgebrachten Schicht(en) sowie die Prozesstemperaturen, d.h. insbesondere die Höhe und der zeitliche Verlauf der Prozesstemperaturen, wie sie beispielsweise für die Verbindungsprozesse erforderlich sind. Die für die gewünschte Krümmung erforderlichen Fertigungsparameter werden vorzugsweise vorab durch eine Simulationsrechnung ermittelt. Die Krümmung der Oberfläche des Kühlkörpers wird dabei natürlich so gewählt, dass das leistungselektronische Modul noch ohne Schädigung an diese Krümmung angepasst werden kann.In the proposed method, the curvature of the power electronic module, which was previously perceived as a disadvantage, is specifically exploited during the assembly process in order to achieve an improved and more durable connection of the module to the heat sink. For this purpose, the manufacturing parameters are specifically selected so that the desired curvature is achieved within the specified tolerances. The manufacturing parameters include the dimensions, in particular the thickness, of the carrier substrate, the metallic layer(s) and possibly the base plate and/or a targeted structuring of the applied layer(s) as well as the process temperatures, i.e. in particular the level and the time course of the process temperatures , such as those required for the connection processes. The manufacturing parameters required for the desired curvature are preferably determined in advance using a simulation calculation. The curvature of the surface of the heat sink is of course chosen so that the power electronic module can be adapted to this curvature without damage.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Kühlkörper eingesetzt, der zumindest in einem Abschnitt, in dem das leistungselektronische Modul mit der Oberfläche des Kühlkörpers verbunden wird, zylinder-, kegelstumpf- oder rohrförmig ausgebildet ist. Der Kühlkörper kann natürlich auch vollständig zylinder-, kegelstumpf- oder rohrförmig ausgebildet sein. Ein oder mehrere der leistungselektronischen Module werden dann vorzugsweise mittels einer Manschette mit dem Kühlkörper verbunden, die in diesem Abschnitt um die Außenseite des zylinder- oder rohrförmigen Kühlkörpers mit dem oder den aufgebrachten leistungselektronischen Modul(en) gespannt wird. Bei Nutzung eines rohrförmigen Kühlkörpers kann das Modul - oder auch mehrere Module - auch an die Innenwandung des Rohrs angebracht und mittels einer entsprechend ausgebildeten Manschette gegen diese Innenwandung gedrückt werden. In beiden Fällen kann die Manschette auch so ausgestaltet sein, dass sie oder ein Teil davon die Funktion einer oder mehrerer elektrischer Leitungen des leistungselektronischen Moduls übernimmt. Die Manschette kann hierzu beispielsweise als mehrlagiger Folienleiter ausgeführt sein.In a preferred embodiment, a heat sink is used which is cylindrical, truncated or tubular, at least in a section in which the power electronic module is connected to the surface of the heat sink. The heat sink can of course also be completely cylindrical, truncated or tubular. One or more of the power electronic modules are then preferably connected to the heat sink by means of a sleeve, which in this section is stretched around the outside of the cylindrical or tubular heat sink with the applied power electronic module(s). When using a tubular heat sink, the module - or several modules - can also be attached to the inner wall of the tube and pressed against this inner wall using a correspondingly designed sleeve. In both cases, the sleeve can also be designed in such a way that it or a part of it takes on the function of one or more electrical lines of the power electronic module. For this purpose, the sleeve can be designed, for example, as a multi-layer film conductor.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Verbiegungskräfte aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der für den Aufbau des leistungselektronischen Moduls verwendeten Materialien ausgenutzt, um eine gewünschte Krümmung bzw. Verbiegung des Moduls herbeizuführen. Durch eine zum Kühlkörper hin konvexe Krümmung des Moduls in Verbindung einer mit konkaven Krümmung der Oberfläche des Kühlkörpers wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch eine Erhöhung der Wärmespreizung und damit ein besserer thermischer Widerstand erreicht.In the proposed method, the bending forces due to different thermal expansion coefficients of the materials used to construct the power electronic module are exploited in order to bring about a desired curvature or bending of the module. In an advantageous embodiment, a convex curvature of the module towards the heat sink in conjunction with a concave curvature of the surface of the heat sink also achieves an increase in the heat spread and thus a better thermal resistance.

Mit dem Verfahren wird somit eine Anordnung aus einem oder mehreren gekrümmten leistungselektronischen Modulen und einem Kühlkörper mit einem gekrümmten Oberflächenbereich erhalten, bei der die Krümmung des einen oder der mehreren leistungselektronischen Module an den gekrümmten Oberflächenbereich des Kühlkörpers angepasst ist und das oder die leistungselektronischen Module in diesem Oberflächenbereich thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbunden sind.With the method, an arrangement of one or more curved power electronic modules and a heat sink with a curved surface area is thus obtained, in which the curvature of the one or more power electronic modules is adapted to the curved surface area of the heat sink and the power electronic module or modules are connected to the heat sink in a thermally conductive manner in this surface area.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich für alle Anwendungen leistungselektronischer Module einsetzen, insbesondere in Fällen, in denen die geometrischen Gegebenheiten eine plane Ausbildung einer Kühlkörperoberfläche nur mit zusätzlichem Aufwand ermöglichen.The proposed method can be used for all applications of power electronic modules, especially in cases in which the geometric conditions only allow a flat design of a heat sink surface with additional effort.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 ein Beispiel für den Aufbau eines leistungselektronischen Moduls;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Krümmung eines vereinfacht dargestellten leistungselektronischen Moduls während des Aufbauprozesses;
  • 3 ein Beispiel für eine Aufbringung leistungselektronischer Module auf einen zylinderförmigen Kühlkörper;
  • 4 ein Beispiel ist eine Aufbringung leistungselektronischer Module an die Innenwand eines rohrförmigen Kühlkörpers; und
  • 5 ein Beispiel für die Abhängigkeit der Stärker der Krümmung von der Dicke einer Bodenplatte.
The proposed method is explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show here:
  • 1 an example of the structure of a power electronic module;
  • 2 a schematic representation of a curvature of a simplified power electronic module during the construction process;
  • 3 an example of applying power electronic modules to a cylindrical heat sink;
  • 4 an example is the application of power electronic modules to the inner wall of a tubular heat sink; and
  • 5 an example of the dependence of the strength of the curvature on the thickness of a floor slab.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of carrying out the invention

Ein beispielhafter Aufbau eines leistungselektronischen Moduls ist in 1 dargestellt. Das Modul weist einen Schaltungsträger 2 aus einem dielektrischen, isolierenden Material auf, beispielsweise einer Keramik, das beidseitig mit einer Metallisierung 1 versehen ist. Auf der Oberseite dieses Schaltungsträgers 2 kann die Metallisierung auch zur Bildung von Leiterbahnen strukturiert sein. Auf diesem Schaltungsträger ist im vorliegenden Beispiel ein Halbleiterbauelement 4 aufgebracht, das mit der Metallisierung 1 über eine in der Figur nicht näher bezeichnete Lotschicht verbunden ist. Eine elektrische Verbindung des Halbleiterbauelements 4 mit einer aus dieser Metallisierung erzeugten Leiterbahn erfolgt in diesem Beispiel über einen Bonddraht 5. Das Trägersubstrat 2 ist mit seiner unteren Metallisierung 1 wiederum mit einer Grundplatte 3 fest verbunden, die aus einem gut wärmeleitfähigen, vorzugsweise metallischen Material besteht. Die Verbindung kann, wie in 1 dargestellt, wiederum über eine geeignete Lotschicht erfolgen. Das Trägersubstrat 2 ist mit dem darauf aufgebrachten Halbleiterbauelement 4 in ein dielektrisches Vergussmaterial 7 eingegossen und von einem Gehäuse 8 umschlossen und kann über eine Anschlussleitung 6 elektrisch kontaktiert werden. Ein derartiges leistungselektronisches Modul kann selbstverständlich hinsichtlich der Anzahl und Anordnung sowie der elektrischen Verschaltung der Halbleiterbauelemente auch in anderer Form ausgestaltet werden.An exemplary structure of a power electronic module is shown in 1 shown. The module has a circuit carrier 2 made of a dielectric, insulating material, for example a ceramic, which is provided with metallization 1 on both sides. On the top of this circuit carrier 2, the metallization can also be structured to form conductor tracks. In the present example, a semiconductor component 4 is applied to this circuit carrier and is connected to the metallization 1 via a solder layer, which is not shown in more detail in the figure. In this example, the semiconductor component 4 is electrically connected to a conductor track created from this metallization via a bonding wire 5. The carrier substrate 2 is in turn firmly connected with its lower metallization 1 to a base plate 3, which consists of a highly thermally conductive, preferably metallic material. The connection can, as in 1 shown, again via a suitable solder layer. The carrier substrate 2 is cast with the semiconductor component 4 applied thereon in a dielectric potting material 7 and enclosed by a housing 8 and can be electrically contacted via a connecting line 6. Such a power electronic module can of course also be designed in a different form with regard to the number and arrangement as well as the electrical interconnection of the semiconductor components.

Leistungselektronische Module müssen zur Wärmeabführung auf einem geeigneten Kühlkörper aufgebracht werden. Hierzu werden bisher Kühlkörper mit einer planen Oberfläche eingesetzt, auf die das leistungselektronische Modul mit der Grundplatte aufgebracht wird. Da bei dem Aufbauprozess des leistungselektronischen Moduls jedoch aufgrund der Temperaturführung und der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien häufig eine Verbiegung der Grundplatte auftritt, ist die möglichst großflächige Verbindung der Grundplatte mit dem Kühlkörper oft nicht ausreichend gewährleistet. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun dieser Effekt gezielt ausgenutzt. Hierzu wird ein Kühlkörper verwendet, der eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Der Aufbauprozess für das leistungselektronische Module wird dann so durchgeführt, dass das leistungselektronische Modul nach Abschluss des Aufbauprozesses eine Krümmung aufweist, die innerhalb vorgebbarer Toleranzen der Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers entspricht. Das gekrümmte leistungselektronische Modul wird anschließend mit der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers in geeigneter Weise verbunden, um eine ausreichend hohe Wärmeleitung in den Kühlkörper zu erzielen. Das leistungselektronische Modul kann hierbei mit einer Boden- bzw. Grundplatte wie in 1 oder auch ohne eine derartige Bodenplatte hergestellt werden.Power electronic modules must be mounted on a suitable heat sink to dissipate heat. To date, heat sinks with a flat surface have been used for this purpose, onto which the power electronic module with the base plate is attached. However, since the base plate is often bent during the construction process of the power electronic module due to the temperature control and the different thermal expansion coefficients of the materials involved, the connection of the base plate to the heat sink as large as possible is often not sufficiently guaranteed. This effect is now specifically exploited in the proposed method. For this purpose, a heat sink is used that has a curved surface. The construction process for the power electronic module is then carried out in such a way that, after completion of the construction process, the power electronic module has a curvature that corresponds to the curvature of the curved surface of the heat sink within predeterminable tolerances. The curved power electronic module is then connected to the curved surface of the heat sink in a suitable manner in order to achieve sufficiently high heat conduction into the heat sink. The power electronic module can be equipped with a floor or base plate as in 1 or can also be produced without such a base plate.

2 stellt beispielhaft und stark vereinfacht ein leistungselektronisches Modul ohne Bodenplatte dar, das sich während des Aufbauprozesses entsprechend verbiegt. In dieser Figur sind der Schaltungsträger 2 mit den beiden Metallisierungen 1 sowie einem aufgebrachten Halbleiterbauelement 4 zu erkennen. 2 exemplifies and greatly simplifies a power electronic module without a base plate, which bends accordingly during the assembly process. In this figure, the circuit carrier 2 with the two metallizations 1 and an applied semiconductor component 4 can be seen.

Die Stärke der Krümmung kann beispielsweise über die Geometrie der beteiligten Komponenten gesteuert werden. So wird beim vollflächigen Auflöten eines Schaltungsträgers (60x30mm) bei einer Lottemperatur von 220°C auf eine Bodenplatte (80x40mm) aus Aluminium nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur eine unterschiedliche Krümmung (hier als Höhe der Mitte der durchgebogenen Bodenplatte über der Auflagefläche) in Abhängigkeit von der Dicke der Bodenplatte erhalten, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Dicke der Bodenplatte variierte hierbei zwischen 0,05 mm und 10 mm. Auch Werte bei einer Bodenplatte aus Kupfer sind aus dieser Figur ersichtlich.The strength of the curvature can, for example, be controlled via the geometry of the components involved. When soldering a circuit board (60x30mm) over the entire surface at a soldering temperature of 220°C onto an aluminum base plate (80x40mm) after cooling to room temperature, a different curvature (here as the height of the center of the bent base plate above the support surface) is created depending on the Thickness of the floor slab obtained as shown in 5 is shown. The thickness of the base plate varied between 0.05 mm and 10 mm. Values for a base plate made of copper can also be seen from this figure.

Ein derartiges leistungselektronisches Modul mit einer entsprechenden Krümmung kann beispielsweise auf einen zylinderförmigen Kühlkörper, z.B. eine Antriebsstruktur einer Turbine, oder einen rohrförmigen Kühlkörper, z.B. eine Flüssigkeitsleitung, aufgebracht werden. 3 zeigt hierzu einen Querschnitt eines zylinderförmigen Kühlkörpers 9, auf dessen Außenseite mehrere der gebogenen leistungselektronischen Module 10 aufgebracht sind. In diesem Beispiel werden diese Module 10 mit dem Kühlkörper 9 über eine Manschette 11 verbunden, die um den Umfang des Kühlkörpers 9 gespannt wird. Diese Manschette 11 in Form eines Spanngurtes wird dabei über eine mechanische Verspann- oder Verbindungsvorrichtung 12 verspannt. Die Manschette 11 kann hierbei auch elektrisch leitfähig oder teilleitfähig ausgebildet sein, wobei dann beispielsweise ein elektrischer Anschluss in die mechanische Verspann- oder Verbindungsvorrichtung 12 integriert sein kann. Auf diese Weise lassen sich die leistungselektronischen Module 10 miteinander elektrisch verbinden und/oder extern über die Manschette 11 kontaktieren. Der Kühlkörper oder die Manschette können auch so ausgeführt sein, dass sie zusätzlich Halterungen für die einzelnen leistungselektronischen Module aufweisen. Kühlkörper, leistungselektronische Module und Manschette müssen nicht mechanisch fest miteinander verbunden sein. Zwischen diesen Komponenten kann auch eine Wärmeleitpaste oder eine elektrisch leitfähige Paste eingebracht werden. Wie bereits ausgeführt, kann die Manschette auch einen Teil der elektrischen Leitung bzw. der elektrischen Stromkreise bilden. Sie kann auch mehrlagig ausgeführt werden, beispielsweise als mehrlagiger Folienleiter.Such a power electronic module with a corresponding curvature can be applied, for example, to a cylindrical heat sink, for example a drive structure of a turbine, or a tubular heat sink, for example a liquid line. 3 shows a cross section of a cylindrical heat sink 9, on the outside of which several of the curved power electronic modules 10 are applied. In this example, these modules 10 are connected to the heat sink 9 via a sleeve 11 which is stretched around the circumference of the heat sink 9. This cuff 11 in the form of a tension belt is clamped via a mechanical tensioning or connecting device 12. The sleeve 11 can also be designed to be electrically conductive or partially conductive, in which case, for example, an electrical connection can be integrated into the mechanical clamping or connecting device 12. In this way, the power electronic modules 10 can be electrically connected to one another and/or contacted externally via the sleeve 11. The heat sink or the sleeve can also be designed in such a way that they additionally have holders for the individual power electronic modules. Heat sinks, power electronic modules and sleeves do not have to be mechanically firmly connected to one another. A thermal paste or an electrically conductive paste can also be introduced between these components. As already stated, the sleeve can also form part of the electrical line or the electrical circuits. It can also be designed in multiple layers, for example as a multi-layer foil conductor.

In einem weiteren Beispiel werden mehrere leistungselektronische Module 10 an die Innenwand eines rohrförmigen Kühlkörpers 13 angebracht, wie dies in 4 im Querschnitt schematisch dargestellt ist. In diesem Beispiel erfolgt die Anpressung der Module 10 an die Innenwand durch eine sich aufblähende bzw. ausdehnende Manschette 14, wie dies in der Figur angedeutet ist. Diese Manschette 14 kann auch schlauchförmig ausgebildet sein, um durch Führung eines Kühlmediums zusätzlich eine innere Kühlung der leistungselektronischen Module 10 zu erreichen. In a further example, several power electronic modules 10 are attached to the inner wall of a tubular heat sink 13, as shown in FIG 4 is shown schematically in cross section. In this example, the modules 10 are pressed against the inner wall by an inflating or expanding sleeve 14, as indicated in the figure. This sleeve 14 can also be designed to be tubular in order to additionally achieve internal cooling of the power electronic modules 10 by guiding a cooling medium.

Grundsätzlich ergibt sich bei konvexer Kühlrichtung wie bei der Ausgestaltung der 4 ein verbesserter Wärmeabtransport über den Kühlkörper 13.Basically, with a convex cooling direction, as with the design of the 4 improved heat dissipation via the heat sink 13.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
MetallisierungMetallization
22
Schaltungsträger bzw. TrägersubstratCircuit carrier or carrier substrate
33
Grund- bzw. BodenplatteBase or floor plate
44
HalbleiterbauelementSemiconductor component
55
BonddrahtBonding wire
66
AnschlussleitungConnection cable
77
VergussmaterialPotting material
88th
GehäuseHousing
99
zylinderförmiger Kühlkörpercylindrical heat sink
1010
leistungselektronisches Modulpower electronic module
1111
Manschettecuff
1212
mechanische Verspann- oder Verbindungsvorrichtungmechanical tensioning or connecting device
1313
rohrförmiger Kühlkörpertubular heat sink
1414
Manschettecuff

Claims (15)

Verfahren zur Fertigung und Aufbringung eines leistungselektronischen Moduls auf einen Kühlkörper, bei dem in einem Aufbauprozess zur Fertigung des leistungselektronischen Moduls (10) zumindest ein oder mehrere Halbleiterbauteile (4) auf ein Trägersubstrat (2) aufgebracht und mit dem Trägersubstrat (2) verbunden werden, wobei - ein Kühlkörper (9, 13) mit einer gekrümmtem Oberfläche bereitgestellt wird, - der Aufbauprozess so durchgeführt wird, dass das leistungselektronische Modul (10) nach Abschluss des Aufbauprozesses gekrümmt ist und die Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) innerhalb vorgebbarer Toleranzen einer Krümmung der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers (9, 13) entspricht, und - das gekrümmte leistungselektronische Modul (10) anschließend mit der gekrümmten Oberfläche des Kühlkörpers (9, 13) verbunden wird.Method for manufacturing and applying a power electronic module to a heat sink, in which at least one or more semiconductor components (4) are applied to a carrier substrate (2) and connected to the carrier substrate (2) in a construction process for manufacturing the power electronic module (10), where - a heat sink (9, 13) with a curved surface is provided, - the construction process is carried out in such a way that the power electronic module (10) is curved after completion of the construction process and the curvature of the power electronic module (10) corresponds to a curvature of the curved surface of the heat sink (9, 13) within predeterminable tolerances, and - The curved power electronic module (10) is then connected to the curved surface of the heat sink (9, 13). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Aufbauprozess das Trägersubstrat (2) über eine metallische Schicht (1) auf eine metallische Grundplatte (3) aufgebracht wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that during the construction process the carrier substrate (2) is applied to a metallic base plate (3) via a metallic layer (1). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) durch geeignete Wahl von Fertigungsparametern, insbesondere von Abmessungen des Trägersubstrats (2), metallischer Schicht(en) (1) auf dem Trägersubstrat (2) und gegebenenfalls der Grundplatte (3) und/oder einer Struktur aufgebrachter metallischer Schicht(en) (1) sowie von Prozesstemperaturen erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the curvature of the power electronic module (10) is determined by a suitable choice of manufacturing parameters, in particular dimensions of the carrier substrate (2), metallic layer(s) (1) on the carrier substrate (2) and optionally the base plate (3) and /or a structure of applied metallic layer(s) (1) and process temperatures. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für die gewünschte Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) erforderlichen Fertigungsparameter vorab durch eine Simulationsrechnung ermittelt werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the desired curvature of the power electronic module (10) required manufacturing parameters are determined in advance by a simulation calculation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkörper (9, 13) ein zumindest in einem Abschnitt, in dem das leistungselektronische Modul (10) mit der Oberfläche des Kühlkörpers (9, 13) verbunden wird, zylinder-, kegelstumpf- oder rohrförmig ausgebildeter Kühlkörper eingesetzt wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a cylindrical, truncated cone or tubular heat sink is used as the heat sink (9, 13). . Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische Modul (10) auf eine Außenseite des Kühlkörpers (9, 13) in diesem Abschnitt aufgebracht wird und die Verbindung mit dem Kühlkörper (9, 13) durch eine Manschette (11) erfolgt, die in diesem Abschnitt um die Außenseite des Kühlkörpers (9, 13) mit dem aufgebrachten leistungselektronischen Modul (10) gespannt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the power electronic module (10) is applied to an outside of the heat sink (9, 13) in this section and the connection to the heat sink (9, 13) takes place through a sleeve (11) which is in this section the outside of the heat sink (9, 13) is tensioned with the applied power electronic module (10). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das leistungselektronische Modul (10) bei einer rohrförmigen Ausbildung des Kühlkörpers (13) in diesem Abschnitt auf eine Innenseite des Kühlkörpers (13) aufgebracht wird und die Verbindung mit dem Kühlkörper (13) durch eine Manschette (14) erfolgt, die das aufgebrachte leistungselektronische Modul (10) in diesem Abschnitt gegen die Innenseite des Kühlkörpers (13) presst.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the power electronic module (10) is applied to an inside of the heat sink (13) in this section if the heat sink (13) is tubular and the connection to the heat sink (13) takes place through a sleeve (14), which presses the applied power electronic module (10) against the inside of the heat sink (13) in this section. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (11, 14) so ausgebildet ist/wird, dass sie die Funktion einer oder mehrerer elektrischer Zu-, Ab- oder Verbindungsleitungen für das leistungselektronische Modul (10) übernimmt.Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that the sleeve (11, 14) is designed such that it takes on the function of one or more electrical supply, output or connection lines for the power electronic module (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) aus einem keramischen oder organischen Material gewählt wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the carrier substrate (2) is selected from a ceramic or organic material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) durch Ausnutzung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten in Verbindung mit der thermischen Prozessführung erzeugt wird.Procedure according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the curvature of the power electronic module (10) is generated by utilizing different thermal expansion coefficients in conjunction with the thermal process control. Anordnung mit wenigstens einem leistungselektronischen Modul (10) auf einem Kühlkörper (9, 13), das mit einem Oberflächenbereich des Kühlkörpers (9, 13) thermisch leitfähig verbunden ist, wobei der Oberflächenbereich des Kühlkörpers (9, 13) gekrümmt ausgebildet ist, das leistungselektronische Modul (10) gekrümmt ist und die Krümmung des leistungselektronischen Moduls (10) an den gekrümmten Oberflächenbereich des Kühlkörpers (9, 13) angepasst ist.Arrangement with at least one power electronic module (10) on a heat sink (9, 13), which is thermally conductively connected to a surface area of the heat sink (9, 13), the surface area of the heat sink (9, 13) being curved, the power electronic Module (10) is curved and the curvature of the power electronic module (10) is adapted to the curved surface area of the heat sink (9, 13). Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9, 13) zumindest in einem Abschnitt, in dem der Oberflächenbereich liegt, zylinder-, kegelstumpf- oder rohrförmig ausgebildet ist.Arrangement according to Claim 11 , characterized in that the heat sink (9, 13) is cylindrical, truncated or tubular at least in a section in which the surface area lies. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine leistungselektronische Modul (10) auf eine Außenseite des Kühlkörpers (9, 13) aufgebracht und durch eine Manschette (11) an dem Kühlkörper (9, 13) fixiert ist, die in diesem Abschnitt um die Außenseite des Kühlkörpers (9, 13) mit dem aufgebrachten leistungselektronischen Modul (10) gespannt ist.Arrangement according to Claim 12 , characterized in that the at least one power electronic module (10) is applied to an outside of the heat sink (9, 13) and is fixed to the heat sink (9, 13) by a sleeve (11), which in this section surrounds the outside of the Heat sink (9, 13) is tensioned with the applied power electronic module (10). Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine leistungselektronische Modul (10) bei einer rohrförmigen Ausbildung des Kühlkörpers (13) in diesem Abschnitt auf eine Innenseite des Kühlkörpers (13) aufgebracht und durch eine Manschette (11) an dem Kühlkörper (9, 13) fixiert ist, die das leistungselektronische Modul (10) in diesem Abschnitt gegen die Innenseite des Kühlkörpers (13) presst.Arrangement according to Claim 12 , characterized in that with a tubular design of the heat sink (13), the at least one power electronic module (10) is applied in this section to an inside of the heat sink (13) and fixed to the heat sink (9, 13) by a sleeve (11). which presses the power electronic module (10) against the inside of the heat sink (13) in this section. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (11, 14) so ausgebildet ist, dass sie die Funktion einer oder mehrerer elektrischer Zu-, Ab- oder Verbindungsleitungen für das leistungselektronische Modul (10) übernimmt.Arrangement according to Claim 13 or 14 , characterized in that the sleeve (11, 14) is designed such that it takes on the function of one or more electrical supply, output or connection lines for the power electronic module (10).
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