DE102020208749A1 - Verfahren zum Herstellen eines gekühlten Leistungselektronikmoduls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein 1. Verfahren zum Herstellen eines gekühlten Leistungselektronikmoduls, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Vormoduls (14), umfassend eine plattenartige Kühlkanalabdeckung (12) und wenigstens eine stoffschlüssig und in thermischem Kontakt mit der Unterseite der Kühlkanalabdeckung (12) verbundene elektronische Komponente (10),- 3D-Drucken einer metallischen Turbulatorstruktur (16) auf einen der elektronischen Komponente (10) gegenüberliegenden Bereich der Oberseite der Kühlkanalabdeckung (12) und- Einkapseln der Turbulatorstruktur (16) in ein mit einem Fluideingang (181) und einem Fluidausgang versehenes, fluiddicht mit der Oberseite der Kühlkanalabdeckung (12) verbundenes Fluidleitgehäuse.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines gekühlten Leistungselektronikmoduls, insbesondere für elektrische Traktionsmaschinen in Kraftfahrzeugen.
  • Derartige gekühlte Leistungselektronikmodule sind bekannt aus der DE 10 2016 222 909 A1 .
  • Der Begriff „gekühlt“ ist hierbei nicht beschränkt auf einen Zustand aktuellen Gekühlt-Werdens; vielmehr soll zum Ausdruck gebracht werden, dass besagte Module über Einrichtungen verfügen, die es gestatten, bei bestimmungsgemäßem Anschluss eines Kühlfluid-Leitungssystems eine Kühlung der im Modul enthaltenen elektronischen Komponenten herbeizuführen.
  • Die genannte Druckschrift beschreibt die Fertigung eines aus einem elektrisch isolierenden Mantel und einem stark wärmeleitenden Kern bestehenden Kühlkörpers mittels 3D-Drucks. Der Begriff „3D-Druck“ ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung weit und synonym zum Begriff der „additiven Fertigungsverfahren“ zu verstehen; er umfasst insbesondere Verfahren wie Laser-Sintern, Laser-Strahlschmelzen, Stereolithografie, Elektronen-Strahlschmelzen, Multi- oder Poly-Jet-Modellierung etc. Auf den so gefertigten Kühlkörper wird bei dem bekannten Verfahren, ebenfalls mittels 3D-Drucks, eine elektrisch leitfähige Schicht aufgetragen, auf der dann eine elektronische Komponente, z.B. ein Schaltelement, in thermischem Kontakt stoffschlüssig fixiert wird. Das ist insofern nachteilig, als die Gefahr besteht, dass beim Fixieren der elektronischen Komponente, das üblicherweise durch Aufsintern unter erheblicher mechanischer Kraftanwendung erfolgt, die empfindlichen Turbulatorstrukturen, die der thermischen und strömungsmechanischen Wechselwirkung des Kühlkörpers mit einem ihn umströmenden Kühlfluid dienen, Schaden nehmen könnten. Diese Gefahr lässt sich zwar durch entsprechend robuste Formgebung der Turbulatorstrukturen eindämmen; zur Optimierung der Kühleffizienz ist es aber günstiger, sehr filigrane Strukturen zur Wechselwirkung mit einem sie umströmenden Kühlfluid zu wählen.
  • So offenbart z.B. die ES 2 584 429 B1 die Ausgestaltung eines Kühlkörpers bzw. Turbulators für elektronische Komponenten als dreidimensionales Voronoi-Gitter, wobei diese Druckschrift über Details dessen schweigt, wie der Kühlkörper bzw. Turbulator und die elektronische Komponente in thermischen und dauerhaften mechanischen Kontakt zueinander gebracht werden können.
  • Ein weiteres Beispiel filigraner Turbulatorstrukturen für Wärmetauscher im allgemeinen offenbart die DE 10 2014 118 177 A1 . Hier wird ein durch 3D-Druck hergestellter Metallschaum verwendet, wobei der eigentliche Turbulator und seine Basisplatte, die dann auch der thermischen und mechanischen Anbindung an zu kühlende Komponenten dient, im selben 3D-Druckvorgang hergestellt werden. Auch hier ergibt sich beim theoretisch möglichen Einsatz für gekühlte Leistungselektronikmodule das Problem der evtl. Beschädigung des Turbulators beim Aufsintern der zu kühlenden elektronischen Komponente.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das unter weitgehender Vermeidung von Ausschuss die Herstellung gekühlter Leistungselektronikmodule mit filigranen Turbulatorstrukturen erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, d. h. durch ein Verfahren zum Herstellen eines gekühlten Leistungselektronikmoduls, umfassend die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Vormoduls, umfassend eine plattenartige Kühlkanalabdeckung und wenigstens eine stoffschlüssig und in thermischem Kontakt mit der Unterseite der Kühlkanalabdeckung verbundene elektronische Komponente,
    • - 3D-Drucken einer metallischen Turbulatorstruktur auf einen der elektronischen Komponente gegenüberliegenden Bereich der Oberseite der Kühlkanalabdeckung und
    • - Einkapseln der Turbulatorstruktur in ein mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang versehenes, fluiddicht mit der Oberseite der Kühlkanalabdeckung verbundenes Fluidleitgehäuse.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Der Kern der Erfindung besteht in der neuartigen Abfolge von Verfahrensschritten bzw. in der neuartigen Zusammenfassung einzelner Elemente zu Gruppen, auf welche die einzelnen Verfahrensschritte angewendet werden. Erfindungszentral ist dabei das Bereitstellen einer hier als Vormodul bezeichneten Elementengruppe, die die zu kühlende elektronische Komponente einerseits und einen Teil der Kühlvorrichtung, nämlich insbesondere eine plattenartige Kühlkanalabdeckung, andererseits umfasst. Die Kühlkanalabdeckung ist Bestandteil eines im fertigen Leistungselektronikmodul enthaltenen Kühlkanals, durch welchen bei geeignetem, bestimmungsgemäßem Anschluss an ein Kühlfluidleitungssystem Kühlfluid strömen und mit der zu kühlenden elektronischen Komponente in indirekte thermische Wechselwirkung treten kann. Diese thermische Wechselwirkung erfolgt durch besagte Kühlkanalabdeckung hindurch. Auf deren Unterseite ist die zu kühlende elektronische Komponente fixiert; auf der Oberseite der Kühlkanalabdeckung ist zur Steigerung der thermischen Wechselwirkungseffizienz im fertigen Leistungselektronikmodul eine Turbulatorstruktur angeordnet, insbesondere in thermischem Kontakt an besagter Oberseite fixiert. Der Fachmann wird verstehen, dass die Begriffe „Ober“-Seite und „Unter“-Seite hier rein zur Unterscheidung der beiden Hauptflächen der Kühlkanalabdeckung benutzt werden, ohne dass damit Einschränkung auf eine spezielle Ausrichtung im Raum verbunden wäre.
  • Erfindungsgemäß wird zunächst das genannte Vormodul mit der Kühlkanalabdeckung und der darauf bereits fixierten elektronischen Komponente bereitgestellt. Die Herstellung eines solchen Vormoduls kann beispielsweise durch Aufsintern der elektronischen Komponente erfolgen, ohne dass dabei Rücksicht auf irgendwelche filigranen Strukturen genommen werden müsste. Entsprechend kann dieser Herstellungsschritt schnell, kostengünstig und in robuster Fertigungsumgebung erfolgen; es müssen lediglich die durch die Natur der elektronischen Komponente vorgegebenen Temperatur- und Kraftgrenzwerte eingehalten werden.
  • Die filigrane Turbulatorstruktur wird sodann in situ mittels 3D-Drucks erzeugt. Die Turbulatorstruktur kann beliebig filigran ausgebildet sein, da aufgrund der erfindungsgemäßen Reihenfolge der Verfahrensschritte keine mechanische Beschädigung mehr droht.
  • Abschließend erfolgt eine Einkapselung der Turbulatorstruktur in ein Fluidleitgehäuse, welches gemeinsam mit der Kühlkanalabdeckung den Kühlkanal bildet, der seinerseits an ein Kühlfluidleitungssystem angeschlossen werden kann. Hierzu muss das Fluidleitgehäuse selbstverständlich wenigstens einen Kühlfluideingang und wenigstens einen Kühlfluidausgang aufweisen, deren Position, Form und Anzahl jedoch der Gestaltungsfreiheit des Fachmanns in Ansehung der Erfordernisse des Einzelfalls überlassen bleiben.
  • Im Ergebnis liefert das erfindungsgemäße Verfahren ein gekühltes Leistungselektronikmodul, wobei jedoch trotz der Möglichkeit, höchst filigrane Turbulatorstrukturen zu erzeugen, besonders wenig Ausschuss entsteht, weil die empfindlichen Strukturen eben erst nach Durchführung aller sie mechanisch beanspruchenden Verfahrensschritte aufgebaut werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeitigt daher gegenüber bekannten Verfahren deutliche wirtschaftliche Vorteile.
  • Speziell zum Schritt des Einkapselns der Tabulatorstruktur bieten sich zwei bevorzugte Varianten an. Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass das Einkapseln der Turbulatorstruktur durch stoffschlüssiges Verbinden eines als Blechformteil ausgebildeten, die Turbulatorstruktur überwölbenden Gehäusekörpers mit der Oberseite der Kühlkanalabdeckung erfolgt. Dieses stoffschlüssige Verbinden kann beispielsweise durch Laserschweißen oder Laserlöten erfolgen. Bei dieser Variante wird also das Fluidleitgehäuse, mithin der Kühlkanal, aus besagtem Gehäusekörper und der vorgenannten Kühlkanalabdeckung gebildet. Beide können als Blechformteil ausgebildet sein, was eine schnelle, kostengünstige und robuste Fertigung bzw. Verbindung erlaubt. Zu beachten ist allerdings, dass beim Verbinden des Gehäusekörpers mit der Kühlkanalabdeckung die thermischen Toleranzgrenzen der elektronischen Komponente nicht überschritten werden könnte. Hier stellen gerade das Laserschweißen und Laserlöten, bei denen Wärme nur sehr lokal eingebracht wird, bevorzugte Techniken dar. Eine grundsätzlich ebenso denkbare Verlötung in einem Lötofen erscheint hingegen wegen der damit verbundenen thermischen Belastung der elektronischen Komponente weniger attraktiv.
  • Gemäß einer zweiten, ebenfalls bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass das Einkapseln der Turbulatorstruktur durch 3D-Drucken einer bis auf die Fluidein- und -ausgänge geschlossenen Mantelschicht erfolgt. Dies kann insbesondere - und bevorzugt - im selben Arbeitsgang wie das 3D-Drucken der Turbulatorstruktur selbst erfolgen. Mit anderen Worten werden also bei dieser Variante die innere Turbulatorstruktur und die äußere Mantelschicht gemeinsam mittels 3D-Drucks auf der Oberseite der Kühlkanalabdeckung aufgebaut. Diese Variante ist zwar etwas zeitaufwändiger als die vorgenannte, erste Verfahrensvariante. Dafür lässt sich eine bessere Anschmiegung von Turbulenzstruktur und Mantelschicht realisieren, als dies durch Aufsetzen eines vorgeformten Gehäusekörpers möglich wäre, sodass das Modul insgesamt etwas kleiner baut.
  • Bevorzugt ist die Kühlkanalabdeckung als eine flache Platte ausgebildet. Entsprechend muss der die Turbulatorstruktur überwölbende Gehäusekörper bzw. die Mantelschicht wannenartig ausgestaltet sein. Denkbar ist jedoch auch die umgekehrte Anordnung, bei der die Kühlkanalabdeckung als profilierte Platte mit einer wannenartigen Vertiefung ihrer Oberseite und einer korrespondierenden Ausbuchtung ihrer Unterseite ausgebildet ist, wobei die Turbulatorstruktur auf den Boden der wannenartigen Vertiefung aufgedruckt wird. Bei geeigneter Relativdimensionierung von Wanne und Turbulatorstruktur lässt sich dann der Gehäusekörper bzw. die Mantelschicht in Form einer flachen Platte ausgestalteten. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, sowohl die Oberseite der Kühlkanalabdeckung als auch den Gehäusekörper bzw. die Mantelschicht (umgekehrt) wannenartig zu gestalten.
  • In Bezug auf die konkrete Gestaltung der Turbulatorstruktur ist bevorzugt vorgesehen, dass diese als ein durch metallische Stege gebildetes, dreidimensionales Voronoi-Gitter ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang wird auch von bionischen Strukturen gesprochen, die den Taberkeln im Knochengewebe von Wirbeltieren nachempfunden sind. Diese Strukturen bieten ein besonders günstiges Verhältnis von großem Gesamtporenvolumen, großer Stabilität und großer Oberfläche, sodass eine stabile Struktur entsteht, durch die Kühlfluid mit besonders geringem Strömungswiderstand aber effizientem Wärmeaustausch hindurchströmen kann. Die Stege eines solchen Voronoi-Gitter sind bevorzugt zu ihren Enden verbreitert, um scharfe Ecken, die den Strömungswiderstand erhöhen würden, zu vermeiden. Aus dem gleichen Grund sind sie bevorzugt abgerundet und/oder geschwungen ausgebildet.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Es zeigen:
    • 1 einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vormoduls,
    • 2 ein erfindungsgemäßes Vormodul,
    • 3 einen zweiten Verfahrensschritt zum Aufdrucken einer Turbulatorstruktur auf das Vormodul von 2,
    • 4 einen dritten Verfahrensschritt des Aufsetzens eines die Turbulatorstruktur überwölbenden Gehäusekörpers sowie
    • 5 einen vierten Verfahrensschritt des Laserschweißens oder Laserlötens zum Verbinden des Gehäusekörpers mit dem Vormoduls von 4.
  • Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
  • 1 zeigt in starker Schematisierung die thermische und mechanische Anbindung einer elektronischen Komponente 10 an eine als flache Blechplatte ausgebildete Kühlkanalabdeckung 12. Einzelheiten der elektronischen Komponente 10 spielen im Kontext der vorliegenden Erfindung keine Rolle. Es kann sich jedoch insbesondere um ein Schaltelement für eine Leistungselektronik zum Betrieb einer Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Bevorzugt weist die elektronische Komponente 10 an ihrer in 1 nach oben weisend dargestellten Oberseite eine sinterfähige Beschichtung auf, die mit einem korrespondierenden Material auf der Unterseite der Kühlkanalabdeckung 12 versintert wird, um so eine innige, stoffschlüssige thermische und mechanische Verbindung zu erzeugen. Es resultiert ein Vormodul 14, wie es schematisch in 2 dargestellt ist.
  • Im nächsten, in 3 dargestellten Verfahrensschritt wird mittels 3D-Drucks eine Turbulatorstruktur 16 auf die Oberseite der Kühlkanalabdeckung 12 aufgebracht. Insbesondere kann es sich bei der Turbulatorstruktur 16 um eine bionische Struktur, insbesondere um ein dreidimensionales Voronoi-Gitter handeln.
  • Im nächsten, in 4 dargestellten Verfahrensschritt erfolgt die Einkapselung der Turbulatorstruktur 16. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt dies, indem ein als Blechformteil ausgebildeter Gehäusekörper 18, welcher die Turbulatorstruktur 16 überwölbt, aufgesetzt wird. Der Gehäusekörper 18 weist wenigstens einen Fluidein- und wenigstens einen Fluidausgang auf. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fluideingang 181 an zentraler Stelle des Gehäusekörpers 18 angeordnet. Mehrere Fluidausgänge, die in 4 nicht erkennbar sind, sind in den Seitenwänden des Gehäusekörpers 18 positioniert.
  • Wie in 5 dargestellt, umfasst der Vorgang des Einkapselns der Turbulatorstruktur 16 weiter eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Gehäusekörper 18 und der Oberseite der Kühlkanalabdeckung 12. Dies kann beispielsweise durch ein vollumfängliches Laserschweißen oder Laserlöten erfolgen.
  • Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist es auch möglich, zur Einkapselung der Turbulatorstruktur 16 anstelle eines separaten Gehäusekörpers 18 eine Mantelschicht zu verwenden, die gemeinsam mit der Turbulatorstruktur 16 mittels 3D-Drucks geschaffen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    elektronische Komponente
    12
    Kühlkanalabdeckung
    14
    Vormodul
    16
    Turbulatorstruktur
    18
    Gehäusekörper
    181
    Kühlfluideingang
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016222909 A1 [0002]
    • ES 2584429 B1 [0005]
    • DE 102014118177 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines gekühlten Leistungselektronikmoduls, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Vormoduls (14), umfassend eine plattenartige Kühlkanalabdeckung (12) und wenigstens eine stoffschlüssig und in thermischem Kontakt mit der Unterseite der Kühlkanalabdeckung (12) verbundene elektronische Komponente (10), - 3D-Drucken einer metallischen Turbulatorstruktur (16) auf einen der elektronischen Komponente (10) gegenüberliegenden Bereich der Oberseite der Kühlkanalabdeckung (12) und - Einkapseln der Turbulatorstruktur (16) in ein mit einem Fluideingang (181) und einem Fluidausgang versehenes, fluiddicht mit der Oberseite der Kühlkanalabdeckung (12) verbundenes Fluidleitgehäuse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkapseln der Turbulatorstruktur (16) durch stoffschlüssiges Verbinden eines als Blechformteil ausgebildeten, die Turbulatorstruktur (16) überwölbenden Gehäusekörpers (18) mit der Oberseite der Kühlkanalabdeckung (12) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden durch Laserschweißen oder Laserlöten erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkapseln der Turbulatorstruktur durch 3D-Drucken einer bis auf die Fluidein- und -ausgänge geschlossenen Mantelschicht erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Drucken der Mantelschicht im selben Arbeitsgang wie das 3D-Drucken der Turbulatorstruktur erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorstruktur (16) als ein durch metallische Stege gebildetes, dreidimensionales Voronoi-Gitter ausgebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stege zu ihren Enden hin verbreitern.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege abgerundet und/oder geschwungen sind.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalabdeckung (12) als flache Platte ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalabdeckung als profilierte Platte mit einer wannenartigen Vertiefung ihrer Oberseite und einer korrespondierenden Ausbuchtung ihrer Unterseite ausgebildet ist, wobei die Turbulatorstruktur auf den Boden der wannenartigen Vertiefung aufgedruckt wird.
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