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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul weist eine insbesondere keramisch ausgebildete Wärmesenke auf. Die Wärmesenke ist mit wenigstens einem Leistungshalbleiter mindestens mittelbar stoffschlüssig verbunden.
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Aus der
DE 10 2015 219 565 A1 ist ein Kühlkörper bekannt, welcher mindestens einen Keramikkörper aufweist. Weiter ist mindestens eine Leiterbahnschicht vorgesehen, die sich auf dem Keramikkörper befindet.
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Bei leistungselektronischen Bauelementen soll Verlustwärme möglichst effizient an eine Wärmesenke abgegeben werden. Ein Wärmeübergang von dem Leistungshalbleiter bis hin zur Wärmesenke soll dabei einen möglichst kleinen Wärmeübergangswiderstand aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist das Leistungsmodul eine Leiterbahnstruktur auf. Die Leiterbahnstruktur umfasst wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht, oder in einer gemeinsamen Ebene angeordnete elektrisch leitfähige Schichten. Die Leiterbahnstruktur ist mit der Wärmesenke insbesondere stoffschlüssig verbunden. Die Leiterbahnstruktur ist mit einer elektrisch leitfähigen Stromschienenstruktur stoffschlüssig verbunden, wobei der Leistungshalbleiter mit wenigstens einer Stromschiene der Stromschienenstruktur elektrisch leitfähig und stoffschlüssig verbunden ist.
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Vorteilhaft kann so die Leiterbahnstruktur eine Zwischenverbindungsschicht zum stoffschlüssigen Verbinden der Stromschiene mit der Wärmesenke, insbesondere einem Keramiksubstrat bilden. Das Leistungsmodul kann so vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden. Die Leiterbahnstruktur ist bevorzugt durch eine Silberschicht oder eine silber- und/oder palladiumhaltige Legierung gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromschiene durch ein insbesondere gestanztes Blech, auch Lead-Frame oder Stanzgitter genannt, gebildet. Bevorzugt ist die Stromschiene aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Vorteilhaft kann das Leistungsmodul so aufwandsgünstig bereitgestellt werden, und braucht nicht - beispielsweise durch chemisches Nassätzen einer Kupferschicht erzeugt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Stromschienenstruktur einer Flächengeometrie der Leiterbahnstruktur. Die Stromschienenstruktur deckt bevorzugt die Leiterbahnstruktur überwiegend, oder vollständig ab. Vorteilhaft kann die Stromschienenstruktur so beispielsweise mittels einer Greifvorrichtung, insbesondere mittels eines Vakuumgreifers, durch Bestücken von zueinander geometrisch verschieden geformten Stromschienen, welche der Leiterbahnstruktur entsprechen, auf die Leiterbahnstruktur derart gesetzt werden, dass die Leiterbahnstruktur durch die Stromschienen, welche gemeinsam die Stromschienenstruktur bilden, abgedeckt wird. Vorteilhaft kann die Wärmesenke so mittels automatischer optischer Inspektion, auch AOI genannt, kontrolliert werden. Die Leiterbahnstruktur kann dazu bevorzugt einen Kontrast, insbesondere optisch erfassbaren Kontrast, zu der Wärmesenke bilden. Beispielsweise weist die Wärmesenke weiße Keramikpartikel auf, welche zu einer Leiterbahnstruktur einen Kontrast ausbilden. Die Leiterbahnstruktur ist bevorzugt durch eine Metallschicht, insbesondere Aluminiumschicht, oder Kupferschicht, oder Silberschicht gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterbahnstruktur auf die Wärmesenke gedruckt, und mit der Wärmesenke versintert, insbesondere in ein Material der Wärmesenke eingebrannt. Vorteilhaft kann so eine stoffschlüssige innige Verbindung der Leiterbahnstruktur mit der Wärmesenke gebildet sein. Die Leiterbahnstruktur weist bevorzugt eine Dickenerstreckung auf, die kleiner ist als eine Dickenerstreckung der Stromschiene. Die Leiterbahn der Leiterbahnstruktur weist beispielsweise eine Dickenerstreckung zwischen zehn Mikrometer und 100 Mikrometer, weiter bevorzugt zwischen 20 und 50 Mikrometer, besonders bevorzugt 25 Mikrometer auf. Die Leiterbahnstruktur bildet so eine elektrisch leitfähige Haft- und Unterbauschicht, auf die die Stromschienen aufgelötet werden können. Die Stromschiene weist bevorzugt eine Dickenerstreckung zwischen 0,3 Millimeter und 2 Millimeter, bevorzugt 1 Millimeter auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Leistungshalbleiter mit der Stromschiene, insbesondere wenigstens einer der Stromschienen, verbunden, bevorzugt stoffschlüssig verbunden, insbesondere sinterverbunden oder lötverbunden. Vorteilhaft kann dadurch der Leistungshalbleiter gemeinsam mit der Stromschiene - insbesondere von einem Bestückungsautomaten - auf die Wärmesenke aufgesetzt werden. Die Wärmesenke kann dazu bevorzugt mit einem Lotmittel bedruckt werden. Das Lotmittel kann dazu die Leiterbahnstruktur wenigstens teilweise oder vollständig abdecken. Mittels des zuvor beschriebenen Druckverfahrens kann die Leiterbahnstruktur, als auch das Lotmittel präzise und konturgenau auf die Wärmesenke aufgedruckt werden. Die Wärmesenke kann so vorteilhaft ein Substrat bilden, welches einen Träger oder eine Trägerschicht für einen elektronischen Schaltungsaufbau bildet. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Lötverbinden eines keramischen Schaltungsträgers, beispielsweise eines DCB-Schaltungsträgers (DCB = Direct-Copper-Bonded) mit einer gesonderten Wärmesenke, beispielsweise eines Metall-Kühlkörpers, entfallen.
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Bevorzugt weist die Wärmesenke nur einen Keramikkörper oder eine Keramikplatte auf, auf die die Leiterbahnstruktur aufgedruckt ist. Vorteilhaft kann dadurch ein guter Wärmeübergang von dem Leistungshalbleiter über die Stromschiene, und weiter über das Lotmittel und die Leiterbahnstruktur bis hin zur Wärmesenke gebildet sein.
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Bevorzugt ist die Wärmesenke zum Fluidführen oder Ankoppeln an ein Fluid ausgebildet. Bevorzugt weist die Wärmesenke dazu wenigstens einen Fluidkanal auf. Der Fluidkanal ist bevorzugt in der Wärmesenke ausgebildet oder schließt als Bestandteil eines Kühlsystems bevorzugt unmittelbar an die insbesondere einschichtig keramisch ausgebildete Wärmesenke an, welche mit der Stromschienenstruktur bestückt ist. Vorteilhaft kann so ein kleiner Wärmeübergangswiderstand von dem Leistungshalbleiter bis hin zu einem Fluidkanal innerhalb der Wärmesenke ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leistungshalbleiter mit der Stromschiene sinterverbunden. Vorteilhaft kann der Leistungshalbleiter so aufwandsgünstig mittels eines für insbesondere gehäuselose Halbleiter, auch Bare-Die genannt, günstigen Verbindungsverfahrens mit der Stromschiene verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromschiene mit der Wärmesenke mittels eines Lotmittels lotverbunden, beispielsweise reflow-verlötet. Vorteilhaft kann die Wärmesenke so in einem Reflow-Lötofen mit den auf Lotpaste gesetzten Stromschienen verlötet werden. Weiter vorteilhaft kann in Verbindung mit dem mit der Stromschiene sinterverbundenen Leistungshalbleiter eine mit dem Leistungshalbleiter bereits verbundene Stromschiene als kompakter Bauteilverbund - insbesondere von einem Bestückungsautomaten - auf die Wärmesenke gesetzt werden, und dort mit der Wärmesenke beim Reflow-Verlöten verbunden werden. Vorteilhaft kann durch die Sinterverbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und der Stromschiene kein Lotmittel wieder aufschmelzen.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Leistungshalbleiter mit der Stromschiene mittels eines Lotmittels verbunden, welches eine größere Schmelztemperatur aufweist, als das Reflow-Lotmittel, mit dem die Stromschiene mit der Wärmesenke verbunden ist. Vorteilhaft kann so die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und der Stromschiene nicht beim Reflow-Verlöten wieder aufschmelzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmesenke eine sich flach erstreckende Platte, insbesondere Keramikplatte, auf oder ist durch die Platte, insbesondere Keramikplatte, gebildet. Bevorzugt sind die Stromschienen auf einer Bestückungsoberfläche der Platte mit der Platte, insbesondere Keramikplatte, verbunden. Vorteilhaft kann so ein effizienter Wärmeübergang von dem Leistungshalbleiter oder der Stromschiene zur Keramikplatte gebildet sein.
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Die Stromschiene weist bevorzugt eine Dickenerstreckung zwischen 200 Mikrometer und zwei Millimeter, weiter bevorzugt zwischen 500 Mikrometer und 1500 Mikrometer auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmesenke, insbesondere die Platte, an einer zu der Bestückungsoberfläche abgewandten Seite insbesondere keramische Kühlfinnen oder Kühlrippen auf. Bevorzugt sind die Kühlfinnen oder Kühlrippen, an die Wärmesenke angeformt. Die Wärmesenke, insbesondere mit den an diese angeformten Kühlfinnen oder Kühlrippen, oder Kühlstrukturen, ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Vorteilhaft kann so ein effizienter Wärmeübergang zu einem Kühlfluid hin gebildet sein. Die Wärmesenke ist bevorzugt aus Keramik, insbesondere Oxid-Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid-Keramik und/oder Berylliumoxid-Keramik gebildet. Die Wärmesenke kann so aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kühlsystem mir einem Leistungsmodul mit einer Wärmesenke gemäß der vorbeschriebenen Art. Das Kühlsystem weist das Leistungsmodul und eine Kühlrinne auf. Das Leistungsmodul, insbesondere die Wärmesenke und die Kühlrinne umschließen gemeinsam einen Fluidkanal. Bevorzugt ragen die Finnen oder Rippen oder die Kühlstrukturen der Wärmesenke in den Fluidkanal hinein. Vorteilhaft können die Finnen oder Kühlstrukturen so von einem Kühlfluid umspült und angeströmt werden.
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Bevorzugt bildet die Wärmesenke einen Verschlussdeckel zum Verschließen einer Öffnung der Rinne. Vorteilhaft kann das Kühlsystem so aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Leistungsmoduls. Bei dem Verfahren wird eine metallische Leiterbahnstruktur auf eine keramische Wärmesenke aufgedruckt und dort eingebrannt. In einem weiteren Schritt wird auf die Leiterbahnstruktur eine Stromschienenstruktur aufgelötet. Bevorzugt ist mit wenigstens einer Stromschiene der Stromschienenstruktur wenigstens ein Leistungshalbleiter stoffschlüssig verbunden, insbesondere sinterverbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Stromschiene, insbesondere ein formgestanztes Blech, auf das ein Leistungshalbleiter aufgesintert ist, von einem Bestückungsautomaten auf eine mit Lotpaste bedruckte Wärmesenke, insbesondere eine Keramikplatte, gelegt, und in einem weiteren Schritt mit der Keramikplatte reflow-verlötet. Die Keramikplatte ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Weiter bevorzugt ist die Keramikplatte durch eine an einer Bestückungsseite der Keramikschicht flach ausgebildete Keramikplatte gebildet.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Leistungsmoduls;
- 2 zeigt ein gemäß den in 1 beschriebenen Verfahren erzeugtes Leistungsmodul mit einer auf eine Wärmesenke aufgelöteten Stromschiene.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Leistungsmoduls. In einem ersten Schritt 1 wird ein keramisch ausgebildeter Kühlkörper 10, welcher eine Wärmesenke bildet, auf einer flach ausgebildeten Bestückungsoberfläche 9 mit einer Metallpaste 13 berakelt. Dazu wird eine Schablone 11 auf die Bestückungsoberfläche 9 aufgelegt, und mit einem Rakel 12 die Metallpaste 13 in Aussparungen der Schablone 11 gerakelt. Auf diese Weise sind zwei Metallpastenflächen 14 und 15 erzeugt, welche jeweils - insbesondere nach einem Einbrennen der Metallpastenflächen in den keramischen Kühlkörper 10 - eine Leiterbahn ausbilden.
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Der Kühlkörper 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel an einer zu der Bestückungsoberfläche 9 abgewandten Seite Rippen oder Finnen auf, welche zur Wärmeabgabe von Verlustwärme ausgebildet sind. Von den Finnen ist eine Finne 30 beispielhaft bezeichnet.
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Der keramische Kühlkörper 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als einstückige Kühlplatte ausgebildet. Vorteilhaft kann so Verlustwärme effizient zu der zu der Bestückungsoberfläche abgewandten Kühlseite geleitet werden, an der die Finnen ausgeformt sind.
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In einem Schritt 2 wird die in dem Schritt 1 aufgebrachte Metallpaste, insbesondere die Metallpastenflächen 14 und 15, mittels Wärmestrahlen 16 in den Keramikkühlkörper 10 eingebrannt. Der Keramikkühlkörper kann in diesem Schritt bereits als gebrannter Grünkörper in einem Post-Firing-Prozess nachgebrannt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Metallpaste 13, insbesondere die Metallpastenflächen 14 und 15, in einen als Grünkörper ausgebildeten Kühlkörper 10 eingebrannt werden.
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In dem Schritt 2 wird somit mittels der Wärmestrahlen 16 - beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000 Grad Celsius, insbesondere 900 Grad Celsius - ein gebrannter Kühlkörper 10' erzeugt. In dem gebrannten Kühlkörper 10' sind die an der Bestückungsoberfläche 9 eingebrannten Leiterbahnen 14' und 15' erzeugt. Die Leiterbahnen 14' und 15' sind mit dem gebrannten Keramikkühlkörper 10' stoffschlüssig verbunden.
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In einem Schritt 3 kann dann der in Schritt 2 erzeugte gebrannte Kühlkörper 10' mit Lotmittel, insbesondere Lotpaste bedruckt werden. Dazu kann - wie in Schritt 1 gezeigt - die Schablone 11 auf die Bestückungsoberfläche 9 aufgelegt werden. Auf der Leiterbahn 15' ist die Lotpaste 18 aufgetragen, und auf der Leiterbahn 14' ist die Lotpaste 17 aufgetragen. Der so mit Lotpaste 17 bedruckte Keramikkühlkörper 10" kann dann - insbesondere in einem weiteren Schritt - mittels einer Bestückungsvorrichtung, insbesondere eines Sauggreifers 26, mit Stromschienen bestückt werden. In dem Schritt 3 setzt der Sauggreifer 26 eine Stromschiene 20 auf die Leiterbahn 15', welche mit der Lotpaste 18 bedruckt ist.
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1 zeigt in Schritt 3 auf eine Stromschiene 19, welche mit einem Leistungshalbleiter 21, insbesondere einem gehäuselosen Halbleiter, auch Bare-Die genannt, mittels einer Sintermittelschicht 25 sinterverbunden ist. Der Leistungshalbleiter 21 weist einen Drain-Anschluss 22 auf, welcher mit der Sintermittelschicht 25 mit der Stromschiene 19 sinterverbunden ist. Auf einer zu dem Drain-Anschluss 22 abgewandten Seite des Leistungshalbleiters 21 weist der Leistungshalbleiter 21 einen Source-Anschluss 24 auf und einen Steueranschluss 23, insbesondere einen Gate-Anschluss. Der Leistungshalbleiter 21 ist beispielsweise durch einen Feldeffekttransistor gebildet, oder durch einen IGBT-Transistor (IGBT = Insulated-Gate-BipolarTransistor).
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Der Schaltungsträger 19 bildet zusammen mit dem Leistungshalbleiter 21 eine Bauteileinheit, welche - insbesondere von dem Sauggreifer 26 - auf die mit Lotpaste 17 bedruckte Leiterbahn 15' gesetzt werden kann.
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Nach einem Bestücken des mit Lotpaste bedruckten Kühlkörpers 10" kann der Kühlkörper 10" in einem Reflow-Lötofen verlötet werden. Auf diese Weise kann eine Kontaktanordnung gebildet sein, welche den mit Leiterbahnen bedruckten Kühlkörper 10", und die wenigstens eine bauteillose Stromschiene 20, und die mit wenigstens einem elektronischen Bauteil, insbesondere einem Leistungshalbleiter 21, bestückte Stromschiene 19 umfasst.
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Mittels des in 1 gezeigten Verfahrens kann ein Leistungsmodul aufwandsgünstig bereitgestellt werden, da sowohl die als Blechstück, insbesondere Stanzgitter, ausgebildeten Stromschienen, als auch die als Blechstück ausgebildeten Stromschienen mit wenigstens einem aufgesinterten Bauelement gemeinsam mittels eines Bestückungsautomaten auf die Wärmesenke gesetzt werden können.
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2 zeigt ein Kühlsystem 4, welches das mittels der in 1 gezeigten Erzeugungsschritte 1, 2 und 3 erzeugte Leistungsmodul 5 aufweist. Das Kühlsystem 4 umfasst eine Kühlrinne 28, zuvor auch Kühlrinne genannt, welche gemeinsam mit dem Kühlkörper 10''' einen Fluidkanal 29 umschließt. Der Fluidkanal 29 ist ausgebildet, ein Kühlfluid 31 zu führen. Der Kühlkörper 10''', welcher zusammen mit den mit dem Kühlkörper mittels des Lotmittels 17 lotverbundenen Stromschienen 19' und 20' ein Leistungsmodul 5 bildet, kann wie in 2 gezeigt, einen Verschlussdeckel zum Verschließen der Kühlrinne 28 bilden, wobei die Kühlrinne 28 einen rinnenförmigen Kühlkanal bildet. Das Kühlsystem 4 kann so aufwandsgünstig erzeugt werden.
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Der Leistungshalbleiter 21 ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Bond-Drahtes 27 mit der verlöteten Stromschiene 20' mittels eines Bond-Drahtes 27 verbunden. Der Bond-Draht 27 bildet eine elektrische Verbindung zwischen dem Source-Anschluss 24 und der verlöteten Stromschiene 20'.
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Mittels des so gebildeten Leistungsmoduls kann die Wärmesenke einen Schaltungsträger mit einem kleinen Wärmeübergangswiderstand bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219565 A1 [0002]
