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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeits-Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungselektronik-Bauelements mittels einer durch den Kühlkörper strömenden Kühlflüssigkeit. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung umfassend wenigstens ein Leistungselektronik-Bauelement und einen Flüssigkeits-Kühlkörper.
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Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik führen beispielsweise bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybrid-Fahrzeugen hohe elektrische Ströme. Im Betrieb kann hierbei eine Verlustwärme entstehen, welche jedoch nur über sehr kleine Flächen abgeführt werden kann. Hierbei können Wärmestromdichten bis zu 1.000 W/cm2 erreicht werden. Von daher muss eine Flüssigkühlung vorgesehen werden, um eine Überhitzung, beispielsweise eines Steuergeräts des Fahrzeugs, zu vermeiden. Weiterhin muss bei Steuergeräten von Fahrzeugen eine gewisse Robustheit vorliegen, um Temperaturschwankungen, Vibrationen, Schläge oder dergleichen ohne Beschädigung im Betrieb überstehen zu können. Daher sind derartige Flüssigkeits-Kühler häufig als Druckgussbauteile ausgestaltet, wobei diese neben einem hohen Gewicht auch einen relativ großen Herstellungsaufwand aufweisen. Eine Alternative sind aus mehreren Bauteilen hergestellte Aluminiumkühler. Diese Aluminiumkühler werden mittels eines Hartlötprozesses hergestellt. Die Leistungselektronik-Bauelemente müssen allerdings mittels eines Weichlötprozesses an den Aluminiumkühler angebunden werden. Von daher muss auf dem Aluminiumkühler eine weichlötbare Beschichtung vorgesehen werden, beispielsweise eine Kupferbeschichtung. Derartig kupferbeschichtete Aluminiumkühler sind jedoch in ihrer Herstellung sehr teuer und insbesondere ist auch eine Wärmeabfuhr über derartige dünne Kupferbeschichtungen häufig nicht in ausreichender Weise möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Flüssigkeits-Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungselektronik-Bauelements mittels einer durch den Kühlkörper strömenden Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Herstellung des Kühlkörpers signifikant verbilligt werden kann. Weiterhin kann eine Wärmeabfuhr durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich verbessert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Flüssigkeits-Kühlkörper mehrteilig aus Aluminium hergestellt ist und zur Wärmeabfuhr eine Kupferplatte aufweist. Genauer umfasst der Kühlkörper ein Aluminiumunterteil, ein Aluminiumoberteil und einen Aluminiumeinleger, welcher zwischen dem Aluminiumunterteil und dem Aluminiumoberteil angeordnet ist. Die Kupferplatte ist dabei am Aluminiumoberteil angeordnet und weiter im Bereich des Aluminiumeinlegers angeordnet. Weiterhin ist die Kupferplatte zur Befestigung des Leistungselektronik-Bauelements eingerichtet. Somit kann die durch das Leistungselektronik-Bauelement erzeugte Wärme zuerst auf die Kupferplatte und von der Kupferplatte auf das Aluminiumoberteil und von dort auf die den Aluminiumeinleger durchströmende Kühlflüssigkeit übertragen und abgeführt werden. Weiterhin ermöglicht die Kupferplatte, dass das oder die Leistungselektronik-Bauelemente auf einfache Weise auf den Aluminiumkühlkörper mittels eines Weichlötvorgangs aufgelötet werden können. Dabei kann eine Anbindung der Kupferplatte, welche ein separates Bauteil ist und eine gewisse Dicke aufweist, auf relativ einfache und kostengünstige Weise an den Aluminiumkühlkörper erfolgen. Somit bietet der Flüssigkeits-Kühlkörper aus Aluminium mit der zusätzlichen Kupferplatte eine deutlich verbesserte Wärmeabfuhrmöglichkeit für Leistungselektronik-Bauelemente, welche im Betrieb eine relativ große Wärmeentwicklung aufweisen. Insbesondere die Wärmespreizung von Hotspot-Wärmequellen wird durch die Kupferplatte verbessert. Dadurch können thermische Schäden an derartigen Leistungselektronik-Bauelementen bzw. benachbarten Bauteilen und/oder dem Kühlkörper vermieden werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist die Kupferplatte in einer flächigen Ausnehmung im Aluminiumoberteil angeordnet. Die flächige Ausnehmung im Aluminiumoberteil reduziert dabei eine Wandstärke des Aluminiumoberteils, so dass eine Wärmeübertragung von der Kupferplatte durch das Aluminiumoberteil auf die Kühlflüssigkeit signifikant verbessert werden kann. Zwar reduziert die flächige Ausnehmung die Wandstärke des Aluminiumoberteils in diesem Bereich, allerdings wird die notwendige Festigkeit durch Einsetzen der Kupferplatte in die flächige Ausnehmung des Kühlkörpers trotzdem erhalten.
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Die Kupferplatte wird besonders bevorzugt derart in der flächigen Ausnehmung angeordnet, dass kein Überstand der Kupferplatte über eine Oberfläche des Aluminiumoberteils vorhanden ist. Besonders bevorzugt ist die Anordnung der Kupferplatte in der Flächenausnehmung derart ausgestaltet, dass die Oberfläche des Aluminiumoberteils und die Oberfläche der Kupferplatte eine ebene Fläche bilden. Somit wird durch das Vorsehen der dickeren Kupferplatte kein zusätzlicher Bauraum senkrecht zur Oberfläche des Aluminiumkühlkörpers benötigt. Eine Dicke des Aluminiumoberteils kann somit konstant bleiben.
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Weiter bevorzugt ist die Kupferplatte nur an einem Teil der Oberfläche des Aluminiumoberteils angeordnet. Dadurch ist es bevorzugt möglich, dass die Kupferplatte oder mehrere Kupferplatten nur an den Positionen vorgesehen werden, an denen Leistungselektronik-Bauelemente vorgesehen sind. Dadurch kann eine weitere Kostenreduktion ermöglicht werden, da nicht die gesamte Oberfläche des Aluminiumoberteils durch die dicke Kupferplatte bedeckt ist.
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Der Aluminiumeinleger ist vorzugsweise ein Strip-Fin-Bauteil oder ein Pin-Fin-Bauteil. Alternativ ist der Aluminiumeinleger ein mäanderförmig verlaufendes Rohr oder Kanal oder mehrere parallel verlaufende Rohre.
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Weiter bevorzugt sind am Flüssigkeits-Kühlkörper direkt ein Einlass und ein Auslass angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Kupferplatte eine kleinere Dicke als eine Dicke des Aluminiumoberteils auf. Vorzugsweise weist die Kupferplatte eine Dicke von ca. 0,5 bis 2,0 mm auf und das Aluminiumoberteil weist eine Dicke von ca. 1,5 bis 2,5 mm auf. Bei Vorsehen einer flächigen Ausnehmung weist die flächige Ausnehmung besonders bevorzugt eine Tiefe von 0,5 bis 2,0 mm auf, um die Kupferplatte vollständig aufnehmen zu können.
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Vorzugsweise weist der Kühlkörper mehrere Kupferplatten auf dem Aluminiumoberteil auf. Die Kupferplatten sind vorzugsweise mit gleichen Abmessungen ausgebildet, um eine möglichst hohe Gleichteileanzahl zu erhalten.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung umfassend wenigstens ein Leistungselektronik-Bauelement und einen Flüssigkeits-Kühlkörper gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungselektronik-Bauelement ist dabei mittels der Kupferplatte des Flüssigkeits-Kühlkörpers mittels einer Weichlötverbindung auf dem Kühlkörper fixiert. Die Weichlötverbindung wird dabei bei Temperaturen ≤ 420°C ausgebildet.
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Weiter bevorzugt umfasst die Leistungselektronik-Anordnung mehrere Leistungselektronik-Bauelemente, wobei jedes Leistungselektronik-Bauelement an einer separaten Kupferplatte am Flüssigkeits-Kühlkörper fixiert ist.
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Weiter bevorzugt sind alle aus Aluminium vorgesehenen Bauteile des Flüssigkeits-Kühlkörpers mittels einer Hartlötverbindung, die bei Temperaturen von ≥ 590°C ausgebildet wird, verbunden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Draufsicht eines Flüssigkeits-Kühlkörpers einer Leistungselektronik-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Flüssigkeits-Kühlkörpers von 1 mit einem Leistungselektronik-Bauelement, und
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Leistungselektronik-Anordnung mit einem Flüssigkeits-Kühlkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Leistungselektronik-Anordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt dabei den Flüssigkeits-Kühlkörper 3, welcher ein Aluminiumunterteil 30, ein Aluminiumoberteil 31 und einen Aluminiumeinlegeteil 32 umfasst. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Aluminiumeinlegeteil 32 zwischen dem Aluminiumunterteil 30 und dem Aluminiumoberteil 31 angeordnet.
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Ferner umfasst der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 eine Kupferplatte 7. Die Kupferplatte 7 ist am Aluminiumoberteil 31 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Kupferplatte 7 dabei im Bereich des Aluminiumeinlegeteils 32 angeordnet, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
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Das Aluminiumoberteil 31 weist eine flächige Ausnehmung 13 auf, um die Kupferplatte 7 aufzunehmen. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist eine Oberfläche 7a der Kupferplatte 7 bündig zu einer Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31. Damit liegen die Oberfläche 7a der Kupferplatte 7 und die Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31 in einer gemeinsamen Ebene E. Somit steht die Kupferplatte 7 nicht von der Oberfläche 31a vor.
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Ein Leistungselektronik-Bauelement 2 ist, wie aus 2 ersichtlich ist, an der Kupferplatte 7 befestigt. Hierbei ist eine Weichlötverbindung 6 zwischen dem Leistungselektronik-Bauelement 2 und der Kupferplatte 7 ausgebildet. Dies ist notwendig, da die Leistungselektronik-Bauelemente 2 weichgelötet werden müssen und eine Hartlötverbindung zu Aluminium nicht ohne Beschädigung des Leistungselektronik-Bauelements 2 möglich ist. Die Weichlötverbindung 6 wird vorzugsweise bei Temperaturen ≤ 420°C ausgebildet.
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Der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, wobei, wie in 1 gezeigt, am Flüssigkeits-Kühlkörper 3 ein Einlass 33 und ein Auslass 34 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das Aluminiumeinlegeteil 32 ein Pin-Fin-Bauteil, welches über eine möglichst größere Fläche des Flüssigkeits-Kühlkörpers 3 angeordnet ist.
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Die Aluminiumbauteile des Flüssigkeits-Kühlkörpers 3 sind mittels Hartlötverbindungen 5, welche bei Temperaturen von ≥ 590°C ausgebildet werden, miteinander verbunden. Die Kupferplatte 7 ist mittels einer niederschmelzenden Hartlötverbindung 4, welche bei Temperaturen von ca. 530°C hergestellt wird, mit dem Aluminiumoberteil 31 verbunden. Ein niederschmelzendes Hartlot für die niederschmelzende Hartlötverbindung 4 umfasst dabei Aluminium, Silber, Kupfer und Silizium.
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Somit kann zwischen der Kupferplatte 7 und dem Aluminiumoberteil 31 eine Hartlötverbindung ausgebildet werden, welche unterhalb einer kritischen Temperatur von 548°C hartgelötet werden kann, wodurch vermieden wird, dass eine unerwünschte Aluminium-Kupfer-Phase während des Hartlötvorgangs erzeugt wird, welche bei Temperaturen oberhalb von 548°C auftritt.
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Nachdem der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 derart hergestellt wurde, kann dann auf die Kupferplatte 7 das Leistungselektronik-Bauelement 2 mittels der Weichlötverbindung 6 fixiert werden.
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Eine Dicke der Kupferplatte 7 beträgt ca. 0,5 bis 2,0 mm. Eine Dicke des Aluminiumoberteils beträgt ca. 1,5 bis 2,5 mm. Damit die Kupferplatte 7 nicht über die Oberfläche 31 a des Aluminiumoberteils 31 vorsteht, weist die flächige Ausnehmung 13 eine Tiefe T auf, die der Dicke der Kupferplatte 7 entspricht.
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Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Flüssigkeits-Kühlkörper 3, durch den eine Kühlflüssigkeit hindurchströmt, eine verbesserte Wärmespreizung, da Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweist. Dabei kann die Kupferplatte 7 mit einer entsprechenden Dicke ausgestattet werden, um die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern. Hierdurch ist es möglich, dass die Leistungselektronik-Bauelemente insgesamt für höhere elektrische Ströme bei einer gleichen Halbleiterfläche ausgelegt werden können. Weiterhin kann der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 durch mehrere Aluminiumbauteile auf kostengünstige Weise mittels Hartlötverfahren bei Temperaturen ≥ 590°C, welche eine ausreichende Verbindungssicherheit der Aluminiumbauteile bietet, ermöglicht werden. Ferner kann ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Bereichs des Flüssigkeits-Kühlkörpers 3, der mittels des Weichlots an das Leistungselektronik-Bauelement 2 angebunden ist, durch das Einsetzen von dickerem Kupfer anstelle von Aluminium verringert werden. Hierdurch kann eine Erhöhung einer Zuverlässigkeit des verwendeten Weichlots zur Herstellung der Weichlötverbindung 6 ermöglicht werden.
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3 zeigt eine Leistungselektronik-Anordnung 1 mit einem Leistungselektronik-Bauelement 2 und einem Flüssigkeits-Kühlkörper 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Aluminiumeinlegeteil 32 als Strip-Fin-Einlegeteil ausgebildet. Das Strip-Fin-Einlegeteil kann beispielsweise mittels eines Hartlötvorganges mit dem Aluminiumunterteil 30 sicher verbunden werden. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das Aluminiumeinlegeteil 32 hierbei ebenfalls unterhalb der Kupferplatte 7 angeordnet. Weiterhin ist die Kupferplatte 7 auf der Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31 mittels einer niederschmelzenden Hartlötverbindung 4 fixiert. Dadurch steht die Kupferplatte 7 zwar etwas von der Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils vor, allerdings kann dadurch auf eine Ausnehmung im Aluminiumoberteil 31 verzichtet werden, so dass die Herstellungskosten für diesen Flüssigkeits-Kühlkörper 3 nochmals reduziert werden können. Diese Ausgestaltung ist dabei besonders geeignet, wenn keine Bauraumprobleme hinsichtlich des Überstands der Kupferplatte 7 über die Oberfläche 31a vorhanden sind. Ferner kann dadurch auch eine Fertigung der Leistungselektronik-Anordnung 1 weiter verbilligt werden.
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Zu den beiden Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass es selbstverständlich auch denkbar ist, dass die flächige Ausnehmung 13 im Aluminiumoberteil 31 eine kleinere Tiefe aufweist als eine Dicke der Kupferplatte 7. Somit ist die Kupferplatte 7 nur teilweise in der flächigen Ausnehmung 13 angeordnet und steht teilweise über die Oberfläche 31a vor. Weiterhin sei angemerkt, dass der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 selbstverständlich auch zur Kühlung einer Vielzahl von Leistungselektronik-Bauelementen 2 vorgesehen sein kann, wobei vorzugsweise jedem Leistungselektronik-Bauelement 2 dann eine separate, eigene Kupferplatte 7 zugeordnet wird und auf dem Aluminiumoberteil 31 fixiert wird.
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Weiterhin sei angemerkt, dass vorzugsweise eine flächige Ausdehnung der Kupferplatte 7 ungefähr gleich groß ist wie eine flächige Ausnehmung des Leistungselektronik-Bauelements 2. Dadurch können die Kosten für das Kupfer im Rahmen gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, dass bei Leistungselektronik-Bauelementen, welche eine sehr hohe Wärmeabgabe haben, die Kupferplatte 7 auch eine größere flächige Ausdehnung als die flächige Ausdehnung des Leistungselektronik-Bauelements 2 aufweist. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeabfuhr sichergestellt werden.
