DE102021206698A1

DE102021206698A1 - Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls

Info

Publication number: DE102021206698A1
Application number: DE102021206698.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Zimmermann; Stephan Lieker
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: CN115413187A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls, umfassend die Schrittea) Bereitstellen eines aus mehreren Schichtelementen aufgebauten Sandwich-Moduls (10, 10', 10") mit einer Oberplatte (110), einer mit einer Durchgangsöffnung (121) versehenen Unterplatte (120) und einem Fluidraum (170; 170a,b) zwischen der Oberplatte (110) und der Unterplatte (120),b) Aufsetzen der Unterplatte (120) auf eine von einer Mündung eines Fluid-Zuführkanal (51) durchbrochenen Werkstückauflage (50), sodass die Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) und die Mündung des Fluid-Zuführkanals (51) in fluiddichte Verbindung miteinander gebracht werden,c) Aufsetzen einer elektronischen Komponente (20) auf die Oberplatte (110),d) Beaufschlagen der elektronischen Komponente (20) mit einer Anpresskraft unde) Befüllen des Fluidraums (170) mit einem Hydraulikfluid durch den Fluid-Zuführkanal (51) und Beaufschlagen des Hydraulikfluids mit einem die Kraft auf die Oberplatte (110) kompensierenden Gegendruck,dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatte (120) eben ausgebildet ist und während der Kraft- und Druckbeaufschlagung der Schritte d und e mit einem überwiegenden Anteil ihrer Fläche auf der Werkstückauflage (50) aufliegt,wobei zwischen ihr und der Oberplatte (110) wenigstens ein ebenfalls eben ausgebildeter, die Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) umringenderAbstandhalterrahmen (150) fluiddicht fixiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls, umfassend die Schritte

a) Bereitstellen eines aus mehreren Schichtelementen aufgebauten Sandwich-Moduls mit einer ebenen, geschlossenen Oberplatte und einer mit einer Durchgangsöffnung versehenen Unterplatte, wobei zwischen der Oberplatte und der Unterplatte ein mit der Durchgangsöffnung der Unterplatte verbundener Fluidraum ausgebildet ist,
b) Aufsetzen der Unterplatte des Sandwich-Moduls auf eine von einer Mündung eines Fluid-Zuführkanal durchbrochenen Werkstückauflage, sodass die Durchgangsöffnung der Unterplatte und die Mündung des Fluid-Zuführkanals in fluiddichte Verbindung miteinander gebracht werden,
c) Aufsetzen einer elektronischen Komponente auf die Oberplatte,
d) Beaufschlagen der elektronischen Komponente mit einer entlang der Flächennormalen der Oberplatte auf diese hin gerichteten Kraft und
e) Befüllen des Fluidraums mit einem Hydraulikfluid durch den Fluid-Zuführkanal und Beaufschlagen des Hydraulikfluids mit einem die Kraft auf die Oberplatte kompensierenden Gegendruck,

Ein gattungsgemäßes Herstellungsverfahren ist bekannt aus der DE 10 2019 204 683 A1 .
In der Leistungselektronik von Kraftfahrzeugen, insbesondere von rein elektrischen oder elektrohybriden Kraftfahrzeugen, werden hohe Leistungen gehandhabt. Die hierfür eingesetzten elektronischen Komponenten, wie etwa sogenannte Leistungsmodule, z. B. IGBTs, benötigen Kühler zum Abführen der dabei anfallenden Wärme. Häufig werden solche elektronischen Komponenten mit Kühlstrukturen, beispielsweise labyrinthartigen Kühlrippen, ausgestattet, die von einem i. d. R. flüssigen Kühlmittel umströmt werden. Diese Kühlstrukturen können unmittelbar an der elektronischen Komponente angebracht sein und in einen Kühlmittelkanal (kurz: Kühlkanal) hineinragen. Es ist jedoch auch bekannt, die elektronischen Komponenten flächig mit einer hier als Oberplatte bezeichneten Platte, die eine Öffnung des Kühlkanals abdeckt, zu verbinden und die Kühlstrukturen auf der gegenüberliegenden, dem Kühlkanal zugewandten Seite dieser Oberplatte anzubringen.
Aus der eingangs genannten Druckschrift ist eine Kühlanordnung zur Kühlung elektronischer Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit solch einer plattenartigen Kühlkanalabdeckung bekannt, bei der an mehreren Stellen, die hier jeweils als Kühlposition bezeichnet werden, zu kühlende elektronische Komponenten in thermischem Kontakt auf der Oberseite der Oberplatte fixiert, insbesondere aufgesintert sind. Auf der Unterseite der Oberplatte ist im Bereich jeder Kühlposition jeweils eine Turbulenzmatte angelötet, die als flächig ausgedehnte und parallel zur Ausdehnungsebene von Kühlmittel durchströmbare und die Kühlmittelströmung dabei zu Turbulenzen anregende Struktur ausgestaltet ist. In der gattungsbildenden Druckschrift wird die auch im Kontext der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungsform einer solchen Turbulenzmatte als Anordnung bezogen auf die Wellenperiode phasenversetzt miteinander verbundener Wellblechstreifen beschrieben.
Die Unterseite der Oberplatte ist randständig in die Turbulenzmatte umringender Weise fluiddicht mit der Oberseite einer wannenartigen Unterplatte verlötet, in welche die Turbulenzmatte eintaucht. Die Unterplatte ist in ihrem Boden mit einer zentralen sowie in ihren Seitenwänden mit seitlichen Durchgangsöffnungen versehen, die im Montageendzustand als Zu- und Ablauföffnungen für das Kühlmittel dienen. Bei den üblichen Ausführungsformen mit mehreren solchen Kühlpositionen, d. h. wenn mehrere Turbulenzmatten in je eine von mehreren Unterplatten-Wannen eintauchen, werden diese zu einem späteren Zeitpunkt mit zwei ineinander geschachtelten Näpfen überwölbt, die einerseits die Zulauföffnungen verschiedener Kühlpositionen untereinander und andererseits deren Ablauföffnungen untereinander gehäuseartig verbinden.
Zur Fixierung der elektronischen Komponente(n) an der bzw. den Kühlpositionen ist es bekannt, diese auf der Oberseite der Oberplatte aufzusintern. Bei großflächig aufgebrachter Anpresskraft kann nämlich die zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung benötigte Prozesstemperatur so weit reduziert werden, dass ein Hitzeschaden an der elektronischen Komponente zuverlässig verhindert wird. Das ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Lötverfahren. Allerdings kann die zum Versintern benötigte Anpresskraft insbesondere bei filigranen Strukturen zu einer Verformung des Sandwich-Moduls aus ebener Ober- und wannenartiger Unterplatte. Die vorgenannte Druckschrift schlägt daher vor, das Sandwich-Modul mit seinem Rand fluiddicht auf dem Rand einer ihm gegenüber übermaßigen Wanne einer Werkstückauflage aufzulegen und parallel zur Kraftbeaufschlagung der elektronischen Komponente die Werkstückauflage-Wanne mit einem Hydraulikfluid, insbesondere mit einem Gas wie z.B. Stickstoff, zu fluten und mit einem hydrostatischen Druck zu beaufschlagen. Das Hydraulikfluid dringt dabei über einen zwischen der Modul-Unterseite und der Werkstückauflagen-Oberseite gebildeten Stütz-Fluidraum in den Fluidraum des Sandwich-Moduls ein und baut einen kompensierenden Gegendruck gegen die aufgebrachte Kraft auf. Dabei umspült das Hydraulikfluid in der übermaßigen Werkstückaufnahme-Wanne auch die Wanne der Unterplatte, sodass von außen, d. h. im Stütz-Fluidraum, ein den Innendruck in der Unterplatten-Wanne, d. kompensierender Gegendruck erzeugt wird. Dies ist auch erforderlich, da ansonsten die wannenartig gebogene Unterplatte sich zu verformen drohte.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist das große Hydraulikfluid-Volumen, das benötigt wird, um die Unterplatten-Wanne innen und außen mit den erforderlichen, kompensatorischen Drücken beaufschlagen zu können. Die für jeden Arbeitstakt benötigten Volumenströme sind zeit- und energieaufwändig. Zudem kann es, insbesondere bei kleinen Unterplatten-Durchgangsöffnungen, zumindest temporär zu Druckunterschieden zwischen Fluidraum und Stütz-Fluidraum kommen, was die Gefahr einer Verformung der Unterplatte birgt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sichereres und effizienteres Herstellungsverfahren für kühlbaren Elektronikmodule zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Unterplatte während der Kraft- und Druckbeaufschlagung der Schritte d und e mit einem überwiegenden Anteil ihrer Fläche auf der Werkstückauflage aufliegt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kerngedanke der Erfindung ist es, die Unterseite des Sandwich-Moduls großflächig auf der Werkstückauflage abzustützen und das Hydraulikfluid von dem Fluid-Zuführkanal unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines sich zwischen der Unterplatte und der Werkstückauflage erstreckenden Stütz-Fluidraums, in den Fluidraum einzuleiten. Dadurch kann zum einen das benötigte Fluidvolumen reduziert werden. Zum anderen sind Druckunterschiede zwischen der Ober- und der Unterseite des Fluidraums und damit eine Verformung der Unterplatte ausgeschlossen.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Unterplatte, wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, wannenförmig ausgestaltet. Beispielsweise kann sie als Blechumformteil, insbesondere als Tiefziehteil ausgebildet sein. Das ist besonders kosteneffizient, materialsparend und bauraum- und gewichtsgünstig. Bei einer solchen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Sandwich-Modul (10) zwei Schichtelemente aufweist, nämlich

- die Oberplatte und
- eine als die Unterplatte wirkende Bodenwanne mit einer zentralen, den Fluidraum bildenden Wannensenke, die eine als Unterplatten-Durchgangsöffnung wirkenden Bodenwannen-Durchgangsöffnung umfasst, sowie mit einem die Wannensenke vollumfänglich umlaufenden Wannenrand, der stoffschlüssig mit der Unterseite der Oberplatte verbunden ist.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Unterplatte eben ausgebildet ist und zwischen ihr und der Oberplatte wenigstens ein ebenfalls eben ausgebildeter, die Durchgangsöffnung der Unterplatte umringender Abstandhalterrahmen fluiddicht fixiert ist. Diesem Ansatz liegt das Konzept zugrunde, das Sandwich-Modul, auf welches die elektronische Komponente aufgesintert wird und welches beim fertigen Elektronikmodul den Kühlkanal umhaust, aus rein ebenen Elementen auszubilden. Eben bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die einander gegenüberliegenden Hauptflächen, wo vorhanden, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dem steht nicht entgegen, dass solch ebene Elemente ohne Weiteres mit Durchgangsöffnungen versehen sein können - Im Gegenteil stellen derartige Durchgangsöffnungen, insbesondere in der Unterplatte und dem zwischen der Unterplatte und der Oberplatte angeordneten Abstandhalterrahmen, wesentliche Elemente der vorliegenden Erfindung dar. Auf diese Weise kann nämlich der Fluidraum, der während des Herstellungsverfahrens zum Aufbau eines kompensatorischen, hydrostatischen Gegendrucks und beim fertigen Elektronikmodul als Kühlkanal dient, ohne umgeformte Blechstrukturen allein durch schichtweisen Aufbau unterschiedlich durchbrochener Platten gestaltet werden. Hieraus ergibt sich eine ebene Unterseite des Sandwich-Moduls, nämlich die Unterseite der ebenen Unterplatte, die zur Abstützung der von dem hydrostatischen Innendruck auf sie ausgeübten, nach außen wirkenden Kraft auf einen im Wesentlichen ebenen Teil einer Werkstückauflage aufgelegt werden kann. Eine ebenfalls hydraulische Abstützung des Innendrucks im Fluidraum, durch einen kompensatorischen Außendruck in einem gesonderten Stütz-Fluidraum, wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann unterbleiben. Dies führt, wie oben bereits erläutert, zu einer Reduzierung des insgesamt erforderlichen Hydraulikfluid-Volumens und damit zu einer zeit- und energieeffizienteren Ausgestaltung des gesamten Verfahrens.
Bei der mechanischen Abstützung der Unterplatte durch die Werkstückauflage ist bevorzugt ein vollflächiger Kontakt vorgesehen. Dies stellt auch bei sehr dünner Wandstärke der Unterplatte sicher, dass auch bei hohen hydrostatischen Drücken im Fluidraum keine Verformung erfolgt. Allerdings kann es bei entsprechender Dimensionierung auch vorgesehen sein, dass gewisse Bereiche der Unterplatte unabgestützt bleiben, beispielsweise wenn die Werkstückauflage aus dicht nebeneinander angeordneten Rippen aufgebaut ist, deren Abstand hinreichend klein ist, sodass bei den vorgesehenen hydrostatischen Drücken und der vorgesehenen Stärke der Unterplatte eine Verformung ebenfalls nicht zu befürchten ist. Die rippenartige Ausgestaltung der Werkstückauflage hat den Vorteil, dass eventuell doch ausdringendes Hydraulikfluid entweichen kann, ohne ein unerwünschtes Polster zwischen Werkstückauflage und Unterplatten-Unterseite zu bilden.
Zur speziellen Gestaltung des Sandwich-Moduls sind unterschiedliche Ausführungsformen denkbar. Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass das Sandwich-Modul drei Schichtelemente aufweist, nämlich

- die Oberplatte,
- eine als die Unterplatte wirkende Bodenplatte mit einer als Unterplatten-Durchgangsöffnung wirkenden Bodenplatten-Durchgangsöffnung und
- eine als der Abstandhalterrahmen wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Oberplatte und andererseits mit der Bodenplatte verbundene Distanzplatte, die von einer den Fluidraum bildenden, die Bodenplatten-Durchgangsöffnung umringenden Distanzplatten-Durchgangsöffnung durchsetzt ist.

Bei dieser Ausgestaltung besteht das Sandwich-Modul also im Wesentlichen aus dem von dem Fluidraum gebildeten Kühlkanal bzw. den ihn umhausenden Wänden. Die beim fertigen Elektronikmodul erforderlichen Zu- und Ableitungsstrukturen müssen nachträglich, d.h. nach dem Aufsintern der Elektronikkomponente, angebracht werden. Insbesondere können zwei übereinander geschachtelte Näpfe, die beispielsweise als Blechteile, insbesondere als Tiefziehteile ausgebildet sein können, aufgebracht, insbesondere aufgeschweißt werden - vorzugsweise mittels Laserschweißens. Um für jede Kühlposition einen druckverlustarmen Zu- und Ablauf zu gewährleisten, ist bei dieser Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass die Bodenplatte eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, die gemeinsam von der Durchgangsöffnung der Distanzplatte umringt sind. Die nachträglich aufzubringenden Näpfe hingegen überwölben lediglich jeweils eine dieser Durchgangsöffnungen bzw. eine Gruppe dieser Durchgangsöffnungen, sodass eine oder mehrere Durchgangsöffnungen der Bodenplatte einem ersten Napf als Zuführkanal und eine oder mehrere andere dieser Bodenplatten-Durchgangsöffnungen einem anderen Napf als Ableitungskanal zugeordnet sind. Für das hier erfindungszentrale Herstellungsverfahren ist jedoch die konkrete Anzahl der Bodenplatten- bzw. Unterplatten-Durchgangsöffnungen nicht von Bedeutung, sofern diese hinreichend gegen die Werkstückauflagefläche abgedichtet sind.
Bei einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass das Sandwich-Modul fünf Schichtelemente aufweist, nämlich

- die Oberplatte,
- eine ebenfalls eben ausgebildete, mit einer Mehrzahl von Bodenplatten-Durchgangsöffnungen versehene Bodenplatte,
- eine als ein erster Abstandhalterrahmen wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Oberplatte und andererseits mit der Bodenplatte verbundene Distanzplatte, die von einer einen oberen Bereich des Fluidraums bildenden, die Bodenplatten-Durchgangsöffnungen umringenden Distanzplatten-Durchgangsöffnung durchsetzt ist,
- die mit einer Mehrzahl von Unterplatten-Durchgangsöffnungen versehene Unterplatte und
- eine als ein zweiter Abstandhalterrahmen wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Bodenplatte und andererseits mit der Unterplatte verbundene Gehäuseplatte, die von wenigstens zwei gemeinsam einen geteilten, unteren Bereich des Fluidraums bildenden Gehäuseplatten-Durchgangsöffnungen durchsetzt ist,

Bei dieser Ausführungsform sind also auch die Zu- und Ableitungen zum eigentlichen Kühlkanal Bestandteil des Sandwich-Moduls. Der obere Teil des Sandwich-Moduls, bestehend aus Oberplatte, Distanzplatte und Bodenplatte entspricht exakt dem Aufbau der weiter oben erläuterten Drei-Schicht-Variante des Sandwich-Moduls. Allerdings wirkt die Bodenplatte der Fünf-Schicht-Variante - anders als bei der Drei-Schicht-Variante - nicht als die auf der Werkstückauflage aufzusetzende Unterplatte. Vielmehr schließt sich bei dieser Variante an die Bodenplatte ein zweiter, hier als Gehäuseplatte bezeichneter Abstandhalterrahmen an, der mehrere getrennte, längsschlitzartige Durchgangsöffnungen aufweist, die mit unterschiedlichen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen bzw. unterschiedlichen Gruppen von Bodenplatten-Durchgangsöffnungen korrespondieren. Auch hier dienen die Bodenplatten-Durchgangsöffnungen als Zu- bzw. Ablauf zur bzw. von der Kühlposition; die Durchgangsöffnungen im zweiten Abstandhalterrahmen hingegen bilden die Zu- bzw. Ableitung zu diesen Zu- bzw. Abläufen. Verschlossen wird der zweite Abstandhalterrahmen von der eigentlichen Unterplatte, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Werkstückauflage aufliegt und bei besonderen Ausführungsformen materialeinheitlich einstückig mit der Gehäuseplatte bzw. dem zweiten Abstandhalterrahmen verbinden sein kann.
Der Fachmann wird verstehen, dass die den bzw. die Abstandhalterrahmen bildenden Schichtelemente eine vergleichsweise große Materialstärke aufweisen müssen, um in ihrem Inneren einen druckverlustarmen Kühlmittelfluss bzw. im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einen druckverlustarmen Hydraulikfluidfluss gewährleisten zu können. Die außen begrenzenden bzw. zwischen zwei Abstandhalterrahmen liegenden Schichtelementen, d.h. die Oberplatte, die Unterplatte und ggf. eine nicht als Unterplatte wirkende Bodenplatte, können jedoch sehr dünnwandig ausgebildet sein, da sie weder im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens noch später bei Betrieb großen einseitigen Drücken ohne kompensatorische Gegendruck oder mechanische Abstützung ausgesetzt sind.
Im Kontext der zuvor beschriebenen Fünf-Schicht-Variante kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnungen der Unterplatte jeweils mit einem stoffschlüssig auf der Unterplatte fixierten Rohrstutzen, einem sogenannten Butzen, umringt sind, der beim Aufsetzen des Sandwich-Moduls auf die Werkstückauflage in Schritt b formschlüssig in die Mündung des Fluid-Zuführkanals eingesetzt wird. Dabei kann zugleich eine Hydraulikfluid-Abdichtung realisiert werden.
Günstigerweise kann die Gehäuseplatte auf ihrer Oberseite einen umlaufenden Kragen aufweisen, in den ein die Bodenplatte, die Distanzplatte und die Oberplatte umfassendes Teilmodul formschlüssig und oberflächenbündig fixiert ist. Ein solches, den eigentlichen Kühlkanal bildendes Teilmodul kann separat hergestellt und sodann in ein die Gehäuseplatte und die Unterplatte umfassendes, ebenfalls separat hergestelltes Teilmodul eingesetzt werden. Beispielsweise können beide Teilmodule als Hartlöt-Zusammenbauteile hergestellt werden und auch miteinander hartverlötet oder auf andere Weise miteinander fixiert werden. Überhaupt ist, unabhängig von der konkreten Ausführungsform, die Verbindung der einzelnen Schichtelemente zum Sandwich-Modul durch Hartlöten bevorzugt. Es handelt sich hierbei um ein zuverlässiges, gut beherrschtes und kostengünstiges Verfahren, dessen einziger Nachteil, nämlich die vergleichsweise hohe Temperaturbeaufschlagung, unschädlich ist, weil die besonders temperaturempfindliche elektronische Komponente im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erst in einem späteren Prozessschritt aufgebracht wird und daher keiner übermäßigen Temperaturbeanspruchung unterliegt.
Zur Gewicht- und Bauraumeinsparung kann es wünschenswert sein, die Wandstärken des Abstandhalterrahmens sehr dünn zu wählen. Dies ist jedoch zwangsläufig mit einer entsprechenden Strukturempfindlichkeit verbunden. In jedem Fall muss die Wandstärke so stark ausgelegt sein, dass sie den bei Betrieb auftretenden Innendrücken des Kühlmittels standhält. Die im Rahmen des Herstellungsverfahrens auftretenden und die Kraftbeaufschlagung beim Sintern kompensierenden Innendrücke im Fluidraum können jedoch deutlich höher liegen. Um dennoch sehr dünnwandige Strukturen schaffen zu können, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Werkstückauflage als eine Wanne ausgebildet ist und das Sandwich-Modul beim Aufsetzen seiner Unterplatte auf die Werkstückauflage formschlüssig in die Wanne der Werkstückauflage eingesetzt wird. Hierdurch ergibt sich nämlich auch seitlich, insbesondere vollumfänglich, eine mechanische Abstützung des im Fluidraum erzeugten Innendrucks durch die Werkstückauflage. Diese ist entsprechend stabil, vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus dickwandigem Stahl gebildet. Das Sandwich-Modul ist hingegen bevorzugt aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium gefertigt.
Der Begriff des formschlüssigen Einsetzens des Sandwich-Moduls in die Wanne der Werkstückauflage ist hier weit zu verstehen und umfasst insbesondere auch einen spielbehafteten Formschluss. Hierdurch können nämlich die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Sandwich-Moduls einerseits und der Werkstückauflage andererseits in Ansehung der beim Sinterprozess auftretenden Erwärmung berücksichtigt werden. So ist insbesondere bevorzugt vorgesehen, dass das Sandwich-Modul bevor und/oder während der Kraftbeaufschlagung von Schritt d erwärmt wird, wobei sich durch die Erwärmung ein spielfreier Formschluss zwischen dem Sandwich-Modul und der Wanne der Werkstückauflage einstellt. Mit anderen Worten wird also das Sandwich-Modul zunächst geringfügig untermaßig, mit spielbehaftetem Formschluss in die Wanne der Werkstückauflage eingesetzt. Ein anschließendes Erwärmen führt zur Spaltverringerung, vorzugsweise zur Spaltverringerung auf Null. Bei der anschließenden Kraft- und Druckbeaufschlagung im Rahmen des Sinterprozesses kann dann der hydrostatische Druck im Fluidraum sowohl nach unten als auch nach seitlich von der Werkstückauflage spielfrei abgestützt werden, sodass eine Verformung des Sandwich-Moduls ausgeschlossen ist. Eine Verformung nach oben ist ebenfalls ausgeschlossen, da ja von hier die für das Sintern erforderliche Kraft über das Elektronikmodul eingeleitet wird.
Bekanntermaßen kann der Sinterprozess deutlich vereinfacht und effizienter gestaltet werden, wenn zwischen den miteinander zu versinternden Elementen eine Sintersicht, insbesondere eine Sinterpaste aufgebracht ist. Daher ist auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass die Oberseite der Oberplatte und/oder die Unterseite der elektronischen Komponente vor dem Aufsetzen der elektronischen Komponente auf die Oberplatte im Schritt c mit einer Sinterschicht beschichtet werden.
Im Hinblick auf die Abdichtung der Hydraulikfluid-Überleitung von der Werkstückauflage in den Fluidraum kann - unabhängig von der speziellen Gestaltung der Unterplatte als ebenes Element oder als Wanne - vorgesehen sein, dass beim Aufsetzen der Unterplatte auf die Werkstückauflage in Schritt b die Mündung des Fluid-Zuführkanals und die Durchgangsöffnung der Unterplatte unmittelbar miteinander fluidisch druckfest verbunden werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Hydraulikfluid unmittelbar aus dem Fluid-Zuführkanal durch die Unterplatten-Durchgangsöffnung in den Fluidraum strömt, sodass die Werkstückauflage im Übrigen trocken bleibt. Dies kann aber konstruktiv aufwändig sein. Bei einer alternativen Gestaltung ist daher vorgesehen, dass beim Aufsetzen der Unterplatte auf die Werkstückauflage in Schritt b die Mündung des Fluid-Zuführkanals und die Durchgangsöffnung der Unterplatte mittels sie - vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft - umringender Dichtmittels fluiddicht miteinander verbunden werden. Hierzu kann beispielsweise eine dichtende Schneidkante ähnlich ISO 1179 dienen. Alternativ kann eine die Mündung des Fluid-Zuführkanals umringende Dichtnut vorgesehen sein, in die ein O-Ring eingelegt ist, sodass das durch den Fluid-Zuführkanal in den Fluidraum strömende Hydraulikfluid die Oberseite der Werkstückauflage bzw. die Unterseite der Unterplatte nur innerhalb dieses Dichtrings benetzt. In ihrem überwiegenden Bereich bleiben Werkstückauflage bzw. Unterplatten-Unterseite hingegen trocken, sodass erstere letztere bei der Druckbeaufschlagung gemäß Schritt e unmittelbar mechanisch abstützen kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1 verschiedene, schematische Ansichten einer ersten Ausführungsform eines Verfahrenserzeugnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Erzeugnisses von 1,
3 einen zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Erzeugnisses von 1,
4 eine zweite Ausführungsform eines Verfahrenserzeugnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 den zentralen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Erzeugnisses von 4,
6 eine dritte Ausführungsform eines Verfahrenserzeugnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie
7 den zentralen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Erzeugnisses von 6.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt in stark schematisierter, nicht maßstabsgerechter Darstellung und in verschiedenen Ansichten das unmittelbare Verfahrenserzeugnis einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich insbesondere den oberen Teil eines kühlbaren Elektronikmoduls. Diese Einheit ist in Draufsicht, in Unteransicht sowie in zwei Schnittdarstellungen gemäß den Schnittlinien A-A und B-B in der Drauf- bzw. Unteransicht gezeigt. Sie besteht aus einem Sandwich-Modul 10 und darauf aufgesinterten elektronischen Komponenten 20. Das Sandwich-Modul 10 besteht aus drei Schichten, nämlich einer dünnen Oberplatte 110, einer ebenfalls dünnen Bodenplatte 130, die bei der dargestellten Ausführungsform auch als anspruchsgemäße Unterplatte 120 dient, sowie einer zwischen der Oberplatte 110 und der Unterplatte 120 bzw. Bodenplatte 130 fluiddicht fixierten, deutlich dickeren Distanzplatte 140, die bei der dargestellten Ausführungsform zugleich als anspruchsgemäßer Abstandhalterrahmen 150 dient. Die drei Platten 110, 120/130 und 140/150 sind vorzugsweise aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium beschaffen und miteinander hartverlötet. Im Abstandshalterrahmen 150 bzw. der Distanzplatte 140 sind große Durchgangsöffnungen 141 angeordnet, die jeweils unter einer elektronischen Komponente 20 angeordnet sind und einen Fluidraum 170 definieren, der bei Betrieb des fertigen Elektronikmoduls als Kühlraum, im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens allerdings als Druckraum wirkt. In ihn hinein können nicht dargestellte Wärmetauscherelemente, wie beispielsweise eine an die Oberplatte 110 angelötete Turbulenzmatte, eingetaucht sein. Der Zufluss zum Fluidraum 170 wird durch korrespondierende, deutlich kleinere Durchgangsöffnungen 131, die zentral für jede Kühlposition in der Bodenplatte 130 vorgesehen sind, gewährleistet. Bei der dargestellten Ausführungsform können sie zugleich die anspruchsgemäßen Durchgangsöffnungen 121 der Unterplatte 120 darstellen. Ein Abfluss aus dem Fluidraum 170 wird durch weitere, laterale Durchgangsöffnungen 132 in der Bodenplatte 130 gewährleistet. Ein solcher Abfluss wird für den Kühlbetrieb des fertigen Elektronikmoduls verwendet; im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist er jedoch nicht zwingend erforderlich, weshalb den fraglichen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 132 auch keine gesonderte Bezugszeichen-Zuordnung als Unterplatten-Durchgangsöffnungen gewidmet ist.
In 1 ist mit gestrichelten Linien eine Zu- und Ableitungsstruktur 40 angedeutet, die die Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 131, 132 gruppenweise miteinander verbindet, um so bei Betrieb eine parallele Beschickung der Fluidräume 170 der verschiedenen Kühlpositionen mit Kühlmittel zu gewährleisten. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Zu- und Ableitungsstruktur 40 aus zwei einander überwölbenden Näpfen 41, 42 ausgebildet. Ein innerer Napf 41 verbindet die an jeder Kühlposition zentralen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 131 miteinander. Der äußere Napf 42 hingegen verbindet die lateralen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 132 miteinander, sodass sich, wie durch die Flusspfeile in 1 dargestellt, eine parallele Kühlmittel-Durchströmung sämtlicher Fluidräume 170 einstellen kann.
2 zeigt einen ersten Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Sandwich-Moduls 10 gemäß 1. Ein solches Sandwich-Modul 10 wird mit der Unterseite seiner Unterplatte 120 auf eine im Wesentlichen ebene Werkstückauflage 50 aufgesetzt. Zudem werden die elektronischen Komponenten 20 - vorzugsweise mit einer Zwischenlage aus einer Sinterschicht 30, beispielsweise einer Sinterpaste - auf die Oberseite der Oberplatte 110 aufgesetzt. Die konkrete Reihenfolge dieser Unterschritte ist für die vorliegende Erfindung nicht erheblich.
Von Bedeutung ist allerdings, dass die Werkstückauflage 50 von einem Fluid-Zuführkanal 51 durchsetzt ist, dessen Mündung räumlich mit einer - beim gezeigten Ausführungsbeispiel der zentralen - Durchgangsöffnung 121 der Unterplatte 120 zusammenfällt. Über eine bei der illustrierten Ausführungsform aus Dichtnut und O-Ring bestehenden Dichtung 52 erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform eine Abdichtung dieser Verbindung zwischen dem Fluid-Zuleitungskanal 51 und dem Fluidraum 170. Alternativ kann auch eine Schneidkantendichtung ähnlich ISO 1179 in der Werkstückauflage 50 realisiert sein.
Im nachfolgenden, in 3 illustrierten Verfahrensschritt wird von oben die zum Aufsintern der elektronischen Komponente 20 auf das Sandwich-Modul 10 erforderliche Kraft aufgebracht, während zugleich der Fluidraum 170 durch den Fluid-Zuleitungskanal 51 mit Hydraulikfluid, insbesondere mit Stickstoff, geflutet und mit einem Druck P beaufschlagt wird. Dieser hydrostatische Innendruck wird so eingestellt, dass er exakt die von außen wirkende Anpresskraft kompensiert. Die Unter- bzw. Bodenplatte 120/130 liegt dabei vollflächig auf der Werkstückauflage 50 auf, sodass auch hier keine Verformung durch den Innendruck P zu befürchten steht.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Sandwich-Moduls 10'. Der obere Teil des Sandwich-Moduls 10' mit Oberplatte 110, Bodenplatte 130 und Distanzplatte 140 entspricht exakt der Ausführungsform von 1. Allerdings sind hier auch die Zu- und Ableitungen, die bei der Ausführungsform von 1 über die nachträglich zu fixierenden Näpfe 41, 42 realisiert waren, in das Sandwich-Modul 10' integriert. So sind insbesondere zwei Abstandhalterrahmen 150a, 150b vorgesehen, deren erster (150a), wie bei 1 durch die Distanzplatte 140 realisiert ist. Der zweite Abstandhalterrahmen 150b schließt sich jedoch unten an die Bodenplatte 130 an, sodass diese nicht wie bei 1 zugleich als Unterplatte wirkt. Vielmehr ist eine gesonderte Unterplatte 120 vorgesehen, die sich unten an den zweiten Abstandhalterrahmen 150b anschließt. Wie insbesondere in der Schnittzeichnung entlang der Schnittlinie C-C in 4 erkennbar, weist der hier auch als Gehäuseplatte 160 bezeichnete zweite Abstandhalterrahmen 150b kanal- oder längsschlitzartige Durchgangsöffnungen 161, 162 auf. Die zentrale Gehäuseplatten-Durchgangsöffnung 161 verbindet die zentralen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 131 und ist mit einer Unterplatten-Durchgangsöffnung 121 verbunden. Die lateralen Gehäuseplatten-Durchgangsöffnungen 162 hingegen verbinden die lateralen Bodenplatten-Durchgangsöffnungen 132 und sind mit einer weiteren Unterplatten-Durchgangsöffnung 122 verbunden.
5 zeigt den zentralen Verfahrensschritt des Aufsinterns der elektronischen Komponenten 20 auf ein Sandwich-Modul 10' gemäß 4. Wieder ist eine der Unterplatten-Durchgangsöffnungen 121 mit dem Fluid-Zuführkanal 51 der Werkstückauflage 50' fluiddicht verbunden, sodass in einem geteilten, aus den Distanzplatten-Durchgangsöffnungen 141 und den Gehäuseplatten-Durchgangsöffnungen 161, 162 aufgebauten Fluidraum 170a,b der die Anpresskraft kompensierende, hydrostatische Innendruck P erzeugt werden kann. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die im Grunde für das erfindungsgemäße Verfahren nicht benötigte, zweite Unterplatten-Durchgangsöffnung 122 mit einer der Dichtung 52 entsprechenden Dichtung abgedichtet, um zu verhindern, dass sich Hydraulikfluid zwischen das Sandwich-Modul 10' und die Werkstückauflage 50' zwängt. Auch hier kann alternativ zur illustrierten Ausführungsform eine Schneidkantendichtung verwendet werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sandwich-Moduls 10". Hier weist die Gehäuseplatte 160 an ihrem oberen Rand einen Kragen 163 auf, in den ein aus Oberplatte 110, Distanzplatte 140 und Bodenplatte 130 aufgebautes Teilmodul eingesetzt und stoffschlüssig, insbesondere durch Hartlöten, fixiert ist. Das gesamte Sandwich-Modul 10" wird, wie in 7 dargestellt, formschlüssig in eine gesenkartige Werkstückauflage 50" eingesetzt, sodass bei der Beaufschlagung mit dem hydrostatischen Innendruck P auch eine seitliche Abstützung erfolgt, was eine dünnere Wandstärke der Gehäuseplatte 160 ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform wird das Aufsintern zusätzlich durch Niederhalter 60 unterstützt.
Die 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sandwich-Moduls 10''' isoliert (8) bzw. eingesetzt in eine wannenartige Werkstückaufnahme 50''' (9). Bei dieser Ausführungsform ist das Sandwich-Modul 50''' im Wesentlichen zweiteilig ausgebildet und umfasst neben seiner Oberplatte 110 auch eine als Bodenwanne 130''' gestaltete Unterplatte 120. Diese kann beispielsweise als Blechumformteil, insbesondere als Tiefziehteil ausgebildet sein. Die Innenkontur der Wanne der Werkstückauflage 50''' und die Außenkontur der Bodenwanne 130''' sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Seitenwände letzterer beim Sinterprozess an den Seitenwänden ersterer anliegen und bei innerer Druckbeaufschlagung im Fluidraum 170 seitlich außen abgestützt werden.
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.
Bezugszeichenliste

10: Sandwich-Modul
10': Sandwich-Modul
10": Sandwich-Modul
10''': Sandwich-Modul
110: Oberplatte
120: Unterplatte
121: Unterplatten-Durchgangsöffnung
122: Unterplatten-Durchgangsöffnung
130: Bodenplatte
130''': Bodenwanne
131: zentrale Bodenplatten-Durchgangsöffnung
131''': Bodenwannen-Durchgangsöffnung
132: laterale Bodenplatten-Durchgangsöffnung
140: Distanzplatte
141: Distanzplatten-Durchgangsöffnung
150: Abstandhalterrahmen
150a: erster Abstandhalterrahmen
150b: zweiter Abstandhalterrahmen
160: Gehäuseplatte
161: zentrale Gehäuseplatten-Durchgangsöffnung
162: laterale Gehäuseplatten-Durchgangsöffnung
163: Kragen
170: Fluidraum
170a: oberer Bereich von 170
170b: unterer Bereich von 170
20: elektronische Komponente
30: Sinterschicht
40: Zu- und Ableitungsstruktur
41: innerer Napf
42: äußerer Napf
50: Werkstückauflage
50': Werkstückauflage
50": Werkstückauflage
50''': Werkstückauflage
51: Fluid-Zuführkanal
52: Dichtung
60: Niederhalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019204683 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines kühlbaren Elektronikmoduls, umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines aus mehreren Schichtelementen aufgebauten Sandwich-Moduls (10, 10', 10") mit einer ebenen, geschlossenen Oberplatte (110) und einer mit einer Durchgangsöffnung (121) versehenen Unterplatte (120), wobei zwischen der Oberplatte (110) und der Unterplatte (120) ein mit der Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) verbundener Fluidraum (170; 170a,b) ausgebildet ist, b) Aufsetzen der Unterplatte (120) des Sandwich-Moduls (10, 10', 10") auf eine von einer Mündung eines Fluid-Zuführkanal (51) durchbrochenen Werkstückauflage (50), sodass die Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) und die Mündung des Fluid-Zuführkanals (51) in fluiddichte Verbindung miteinander gebracht werden, c) Aufsetzen einer elektronischen Komponente (20) auf die Oberplatte (110), d) Beaufschlagen der elektronischen Komponente (20) mit einer entlang der Flächennormalen der Oberplatte (110) auf diese hin gerichteten Kraft und e) Befüllen des Fluidraums (170) mit einem Hydraulikfluid durch den Fluid-Zuführkanal (51) und Beaufschlagen des Hydraulikfluids mit einem die Kraft auf die Oberplatte (110) kompensierenden Gegendruck, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatte (120) während der Kraft- und Druckbeaufschlagung der Schritte d und e mit einem überwiegenden Anteil ihrer Fläche auf der Werkstückauflage (50, 50', 50") aufliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwich-Modul (10) zwei Schichtelemente aufweist, nämlich - die Oberplatte (110) und - eine als die Unterplatte (120) wirkende Bodenwanne (130') mit einer zentralen, den Fluidraum (170) bildenden Wannensenke, die eine als Unterplatten-Durchgangsöffnung (121) wirkenden Bodenwannen-Durchgangsöffnung (131') umfasst, sowie mit einem die Wannensenke vollumfänglich umlaufenden Wannenrand, der stoffschlüssig mit der Unterseite der Oberplatte (110) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatte (120) eben ausgebildet ist und zwischen ihr und der Oberplatte (110) wenigstens ein ebenfalls eben ausgebildeter, die Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) umringender Abstandhalterrahmen (150) fluiddicht fixiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwich-Modul (10) drei Schichtelemente aufweist, nämlich - die Oberplatte (110), - eine als die Unterplatte (120) wirkende Bodenplatte (130) mit einer als Unterplatten-Durchgangsöffnung (121) wirkenden Bodenplatten-Durchgangsöffnung (131) und - eine als der Abstandhalterrahmen (150) wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Oberplatte (110) und andererseits mit der Bodenplatte (120) verbundene Distanzplatte (140), die von einer den Fluidraum (170) bildenden, die Bodenplatten-Durchgangsöffnung (131) umringenden Distanzplatten-Durchgangsöffnung (141) durchsetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (130) eine Mehrzahl von Bodenplatten-Durchgangsöffnungen (131, 132) aufweist, die gemeinsam von der Distanzplatten-Durchgangsöffnung (141) umringt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwich-Modul (10', 10") fünf Schichtelemente aufweist, nämlich - die Oberplatte (110), - eine eben ausgebildete, mit einer Mehrzahl von Bodenplatten-Durchgangsöffnungen (131, 132) versehene Bodenplatte (130), - eine als ein erster Abstandhalterrahmen (150a) wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Oberplatte (110) und andererseits mit der Bodenplatte (120) verbundene Distanzplatte (140), die von einer einen oberen Bereich des Fluidraums (170a) bildenden, die Bodenplatten-Durchgangsöffnungen (131, 132) umringenden Distanzplatten-Durchgangsöffnung (141) durchsetzt ist, - die mit einer Mehrzahl von Unterplatten-Durchgangsöffnungen (121, 122) versehene Unterplatte (120) und - eine als ein zweiter Abstandhalterrahmen (150b) wirkende, stoffschlüssig einerseits mit der Bodenplatte (130) und andererseits mit der Unterplatte (120) verbundene Gehäuseplatte (160), die von wenigstens zwei gemeinsam einen geteilten, unteren Bereich des Fluidraums (170b) bildenden Gehäuseplatten-Durchgangsöffnungen (161, 162) durchsetzt ist, wobei die Gehäuseplatten-Durchgangsöffnungen (161, 162) unterschiedliche Bodenplatten-Durchgangsöffnungen (131; 132) oder Gruppen von Bodenplatten-Durchgangsöffnungen (131; 132) umringen und jeweils mit einer der Unterplatten-Durchgangsöffnungen (121, 122) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterplatten-Durchgangsöffnungen jeweils von einem stoffschlüssig auf der Unterplatte fixierten Rohrstutzen umringt sind, der beim Aufsetzen des Sandwich-Moduls auf die Werkstückauflage in Schritt b formschlüssig in die Mündung des Fluid-Zuführkanals eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseplatte (160) auf ihrer Oberseite einen umlaufenden Kragen (163) aufweist, in dem ein die Bodenplatte (130), die Distanzplatte (140) und die Oberplatte (110) umfassendes Teilmodul formschlüssig und oberflächenbündig fixiert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückauflage (50") als eine Wanne ausgebildet ist und das Sandwich-Modul (10") beim Aufsetzen seiner Unterplatte (120) auf die Werkstückauflage (50") formschlüssig in die Wanne der Werkstückauflage (50") eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sandwich-Modul (10") vor und/oder während der Kraftbeaufschlagung von Schritt d erwärmt wird, wobei sich durch die Erwärmung ein spielfreier Formschluss zwischen dem Sandwich-Modul (10") und der Wanne der Werkstückauflage (50") einstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Oberplatte (110) und/oder die Unterseite der elektronischen Komponente (20) vor dem Aufsetzen der elektronischen Komponente (20) auf die Oberplatte (10) in Schritt c mit einer Sinterschicht (30) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufsetzen der Unterplatte (120) auf die Werkstückauflage (50, 50', 50") in Schritt b die Mündung des Fluid-Zuführkanals (51) und die Durchgangsöffnung (121) der Unterplatte (120) unmittelbar miteinander oder mittels sie umringender Dichtmittel (52) fluiddicht miteinander verbunden werden.