DE102022130435A1 - Power control device arrangement and method for providing a power control device arrangement - Google Patents

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Michael Timmermann
Ekkehard Handke
Andre Staack
David Benning
Jacek Rudzki
Mohammad Goushegir
Martin Becker
Karsten Lund
Jacob Leffler
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung, die eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine Verbindungsanordnung umfasst, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente durch die Verbindungsanordnung miteinander verbunden sind und wobei die Verbindungsanordnung ein Array von Nanodrähten umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung, wobei das Verfahren den Schritt des Zusammenbringens einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einer Verbindungsanordnung und des Anwendens eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur auf die Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung zum Bilden einer festen Verbindung zwischen der ersten Komponente, der zweiten Komponente und der Verbindungsanordnung umfasst.The present invention relates to a power control device arrangement comprising a first component, a second component and a connection arrangement, the first component and the second component being interconnected by the connection arrangement and the connection arrangement comprising an array of nanowires. The invention also relates to a method of providing a power control device assembly, the method comprising the step of bringing together a first component, a second component and a connection assembly and applying an increased pressure and/or an increased temperature to the power control device assembly to form a solid connection between the first component, the second component and the connection arrangement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung, die eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine Verbindungsanordnung umfasst, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente durch die Verbindungsanordnung miteinander verbunden sind und wobei die Verbindungsanordnung ein Array von Nanodrähten umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung, wobei das Verfahren den Schritt des Zusammenbringens einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einer Verbindungsanordnung und des Anwendens eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur auf die Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung zum Bilden einer festen Verbindung zwischen der ersten Komponente, der zweiten Komponente und der Verbindungsanordnung umfasst.The present invention relates to a power control device arrangement comprising a first component, a second component and a connection arrangement, the first component and the second component being interconnected by the connection arrangement and the connection arrangement comprising an array of nanowires. The invention also relates to a method of providing a power control device assembly, the method comprising the step of bringing together a first component, a second component and a connection assembly and applying an increased pressure and/or an increased temperature to the power control device assembly to form a solid connection between the first component, the second component and the connection arrangement.

Das Kühlen von Leistungssteuerungsvorrichtungen und insbesondere deren Halbleiterleistungsmodulen ist seit vielen Jahren eine bewährte Technik. Durch Leitungs- und Schaltverluste in den Leistungskomponenten sowie durch ohmsche Verluste in Leiterbahnen erzeugt jedes Halbleiterleistungsmodul Wärme. Die Effizienz der Kühlung von Halbleiterleistungsmodulen ist aufgrund der immer höheren Leistungsdichten solcher Module immer wichtiger geworden.Cooling power control devices and in particular their semiconductor power modules has been a proven technology for many years. Every semiconductor power module generates heat through conduction and switching losses in the power components as well as ohmic losses in conductor tracks. The efficiency of cooling semiconductor power modules has become increasingly important due to the ever higher power densities of such modules.

Die Kühlleistung ist von großer Bedeutung, weil jede neue Generation von Halbleiterleistungsmodulen tendenziell kleiner ist als ihre Vorgänger und weil der Markt immer kleinere und kompaktere Lösungen verlangt. Daher ist eine effiziente Kühlung von Halbleiterleistungsmodulen von entscheidender Bedeutung.Cooling performance is of great importance because each new generation of semiconductor power modules tends to be smaller than its predecessors and because the market demands ever smaller and more compact solutions. Therefore, efficient cooling of semiconductor power modules is crucial.

Halbleiterleistungsmodule werden häufig auf Kühlern montiert, die es ermöglichen, die in den Modulen erzeugte Wärme an einen Kreislauf mit gekühltem Fluid, wie etwa Gebläseluft oder zirkulierendem Kältemittel, abzugeben. Es ist wichtig, dass zwischen jedem Halbleiterleistungsmodul und dem Kühler eine gute Wärmeleitfähigkeit besteht.Semiconductor power modules are often mounted on coolers that allow the heat generated in the modules to be transferred to a circuit containing cooled fluid, such as forced air or circulating refrigerant. It is important that there is good thermal conductivity between each semiconductor power module and the cooler.

Nach dem Stand der Technik wird diese Verbindung oft durch Löten oder Sintern hergestellt, aber diese Techniken weisen inhärente Nachteile oder Schwierigkeiten auf. Es kann sehr schwierig sein, eine gleichmäßige Wärmeübertragung über große Flächen zu erreichen, insbesondere wenn die Oberflächen des Kühlers und/oder des Halbleiterleistungsmoduls nicht völlig eben sind.In the prior art, this connection is often made by soldering or sintering, but these techniques have inherent disadvantages or difficulties. It can be very difficult to achieve uniform heat transfer over large areas, especially if the surfaces of the cooler and/or semiconductor power module are not completely flat.

Bei gelöteten Verbindungen ist möglicherweise die zulässige Betriebstemperatur begrenzt, damit ein Erweichen des Materials der Lötverbindung vermieden wird.For soldered connections, the allowable operating temperature may be limited to avoid softening of the material of the soldered connection.

Verbindungen unter Verwendung von Silbersinterung haben möglicherweise eine höhere Betriebstemperatur, aber die Herstellung von guten Sinterverbindungen über große Flächen, insbesondere wenn die Flächen nicht eben sind, ist technisch schwierig und sehr teuer. Darüber hinaus ist die Verwendung von leitfähigen Pasten, wie etwa Sinterpasten, eine zusätzliche Komplikation bei der Herstellung einer elektronischen Komponente, da eine Verunreinigung von angrenzenden Oberflächen vermieden werden muss.Joints using silver sintering may have a higher operating temperature, but producing good sintered joints over large areas, especially when the areas are not flat, is technically difficult and very expensive. Furthermore, the use of conductive pastes, such as sintering pastes, is an additional complication in the manufacture of an electronic component since contamination of adjacent surfaces must be avoided.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden und eine verbesserte Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung und ein verbessertes Verfahren zum Bereitstellung einer Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung bereitzustellen.The aim of the present invention is to overcome the problems described above and to provide an improved power control device arrangement and an improved method of providing a power control device arrangement.

Dieses Ziel wird durch eine Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a power control device arrangement according to claim 1 and a method according to claim 7. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß Anspruch 1 wird eine Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung bereitgestellt, die eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine Verbindungsanordnung umfasst, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente durch die Verbindungsanordnung miteinander verbunden sind und wobei die Verbindungsanordnung ein Array von Nanodrähten umfasst.According to claim 1, there is provided a power control device assembly comprising a first component, a second component and a connection arrangement, the first component and the second component being interconnected by the connection arrangement and the connection arrangement comprising an array of nanowires.

Die Schwierigkeiten und Kosten der oben beschriebenen Techniken können durch die erfindungsgemäße Verwendung von Nanodrähten bei der Herstellung einer Verbindung zwischen Anordnungskomponenten, wie etwa Halbleiterleistungsmodulen, Grundplatten und/oder Kühlern, vermieden werden.The difficulties and costs of the techniques described above can be avoided by the inventive use of nanowires in making a connection between array components, such as semiconductor power modules, baseplates and/or coolers.

Nanodrähte können extrem dünne, langgestreckte Strukturen umfassen, die zwischen zwei zu verbindenden Oberflächen platziert werden können. Sobald die Nanodrähte zwischen den zwei Oberflächen platziert sind, können die Oberflächen zusammengebracht werden, während ein erhöhter Druck und/oder eine erhöhte Temperatur auf die Oberflächen ausgeübt wird. Damit wird eine feste Verbindung zwischen den zwei zu verbindenden Oberflächen gebildet. Die resultierende Verbindung kann zuverlässig sein und je nach den für die Herstellung der Nanodrähte verwendeten Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.Nanowires can comprise extremely thin, elongated structures that can be placed between two surfaces to be connected. Once the nanowires are placed between the two surfaces, the surfaces can be brought together while increasing pressure and/or temperature is applied to the surfaces. This creates a firm connection between the two surfaces to be connected. The resulting connection can be reliable and have high thermal conductivity and/or high electrical conductivity depending on the materials used to make the nanowires.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Platzieren einer mit Nanodrähten gebildeten Struktur zwischen zwei zu verbindende Oberflächen und das darauffolgende Zusammenbringen dieser zwei Oberflächen. Eine oder beide der Oberflächen können beheizt werden, um die Verbindungsstruktur auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Insbesondere kann eine Struktur aus einer Kupferfolie mit beidseitigen Kupfernanodrähten verwendet werden, um zwei Kupferoberflächen miteinander zu verbinden. Es gibt auch andere Materialien für Nanodrähte, wie etwa Aluminium und Nichtmetalle wie etwa Polymere.The method according to the invention includes placing a structure formed with nanowires between two surfaces to be connected and then bringing these two surfaces together. One or both of the surfaces can be heated to bring the connection structure to the required temperature. In particular, a structure made of a copper foil with copper nanowires on both sides can be used to connect two copper surfaces to one another. There are also other materials for nanowires, such as aluminum and non-metals such as polymers.

Ein solches Verbindungsverfahren eignet sich für die Verbindung eines Halbleiterleistungsmoduls mit einer Grundplatte, einschließlich einer gekühlten Grundplatte, zum Ermöglichen der Kühlung des Halbleiterleistungsmoduls im Betrieb.Such a connection method is suitable for connecting a semiconductor power module to a baseplate, including a cooled baseplate, to enable cooling of the semiconductor power module during operation.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungsflächen der ersten Komponente und/oder der zweiten Komponente, die die Verbindungsanordnung berühren, eben und/oder aus einer Bodenfläche einer Grundplatte oder eines Substrats gebildet und/oder die erste Komponente und die zweite Komponente sind nur durch die Verbindungsanordnung miteinander verbunden.In a preferred embodiment of the invention, the connecting surfaces of the first component and/or the second component that touch the connecting arrangement are flat and/or formed from a bottom surface of a base plate or a substrate and/or the first component and the second component are only through the connection arrangement is connected to each other.

Die Vorteile beinhalten, dass beim Verbindungsvorgang keine Leitpasten, Lötverbindungen und/oder Sinterverbindungen verwendet werden müssen, was eine sauberere Produktion ermöglicht. Die physikalische, mechanische, thermische und/oder elektrische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente kann überwiegend, z. B. zu über 75 %, vorzugsweise zu über 90 %, durch die Verbindungsanordnung und ihre Nanodrähte bereitgestellt werden.The advantages include no need to use conductive pastes, solder joints and/or sintered joints in the joining process, allowing for cleaner production. The physical, mechanical, thermal and/or electrical connection between the first and second components can predominantly, e.g. B. over 75%, preferably over 90%, are provided by the connection arrangement and its nanowires.

Durch die Verwendung der Nanodrahtstrukturen ist es zudem möglich, unebene Oberflächen der verbundenen Komponenten auszugleichen. Die Rauheit der zu verbindenden Oberflächen kann sogar ein Vorteil sein, da sie die Festigkeit der Verbindung erhöht.By using the nanowire structures, it is also possible to compensate for uneven surfaces of the connected components. The roughness of the surfaces to be joined can even be an advantage as it increases the strength of the connection.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Array von Nanodrähten Kupfer-Nanodrähte, Aluminium-Nanodrähte und/oder Polymer-Nanodrähte und/oder die Nanodrähte des Arrays von Nanodrähten haben eine Länge zwischen 5 µm und 500 µm und/oder einen Durchmesser unter 1 µm, vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,1 µm und 1 µm, und/oder einzelne Nanodrähte können asymmetrische Querschnitte aufweisen, die vorzugsweise ovale, rechteckige und/oder andere Formen bilden, und/oder eine Querschnittsabmessung der Nanodrähte ist wesentlich größer als eine andere Abmessung der Nanodrähte.In a further preferred embodiment, the array of nanowires comprises copper nanowires, aluminum nanowires and/or polymer nanowires and/or the nanowires of the array of nanowires have a length between 5 μm and 500 μm and/or a diameter of less than 1 μm, preferably a diameter between 0.1 µm and 1 µm, and/or individual nanowires may have asymmetrical cross-sections, which preferably form oval, rectangular and/or other shapes, and/or a cross-sectional dimension of the nanowires is significantly larger than another dimension of the nanowires .

Die Verwendung von Kupfer-Nanodrähten ist wesentlich günstiger als die Verwendung von Silbersinterpaste. Die Drücke und die Temperaturen, die für die Herstellung einer Verbindung auf Nanodrahtbasis erforderlich sind, sind geringer als die, die für die Herstellung einer Silbersinterverbindung erforderlich sind. Dies ermöglicht eine kostengünstigere und schnellere Herstellung solcher Verbindungen mit den daraus resultierenden kommerziellen Vorteilen.Using copper nanowires is significantly cheaper than using silver sintering paste. The pressures and temperatures required to produce a nanowire-based compound are lower than those required to produce a silver sintered compound. This enables cheaper and faster production of such compounds with the resulting commercial advantages.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindungsanordnung auf der ersten Komponente oder auf der zweiten Komponente vormontiert oder aufgewachsen und/oder die erste Komponente und/oder die zweite Komponente weisen aufgeraute und/oder beschichtete Oberflächen auf, vorzugsweise metallbeschichtete Oberflächen.In a further preferred embodiment, the connection arrangement is pre-assembled or grown on the first component or on the second component and/or the first component and/or the second component have roughened and/or coated surfaces, preferably metal-coated surfaces.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung einen Träger, wobei vorzugsweise das Array von Nanodrähten auf einer Oberfläche oder zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers montiert oder aufgewachsen ist und/oder die Dicke des Trägers zwischen 10 µm und 5 mm beträgt.In a further preferred embodiment, the connection arrangement comprises a carrier, wherein preferably the array of nanowires is mounted or grown on one surface or two opposite surfaces of the carrier and/or the thickness of the carrier is between 10 μm and 5 mm.

Der Träger kann ein Teil sein, das zwischen die zwei Komponenten eingefügt wird. Es kann sich also um ein Teil handeln, das zunächst von den zwei Komponenten getrennt ist.The carrier can be a part that is inserted between the two components. It can therefore be a part that is initially separated from the two components.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste Komponente und die zweite Komponente ein Halbleiterleistungsmodul bzw. ein Kühler. Bei dieser Ausführungsform wird die hohe Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen den beiden Komponenten genutzt. Eine der Komponenten kann einen erheblichen Wärmestrom erzeugen, der über die andere Komponente an die Außenseite der Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung geleitet werden kann.In a further preferred embodiment, the first component and the second component are a semiconductor power module and a cooler, respectively. In this embodiment, the high thermal conductivity of the connection according to the invention between the two components is used. One of the components may generate significant heat flow, which may be directed to the outside of the power control device assembly via the other component.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung. Das Verfahren umfasst die Schritte des Zusammenbringens der ersten Komponente, der zweiten Komponente und der Verbindungsanordnung und des Anwendens eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur auf die Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung zum Bilden einer feste Verbindung zwischen der ersten Komponente, der zweiten Komponente und der Verbindungsanordnung.The invention also relates to a method of providing a power control device arrangement. The method includes the steps of bringing the first component, the second component, and the connection assembly together and applying increased pressure and/or temperature to the power control device assembly to form a rigid connection between the first component, the second component, and the connection assembly.

Das Verfahren kann jegliche weitere Schritte umfassen, die für das Bereitstellen der hier beschriebenen Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung erforderlich sind.The method may include any additional steps required to provide the information described herein a specific power control device arrangement is required.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erhöhte Druck und/oder die erhöhte Temperatur auf die erste Komponente und/oder die zweite Komponente angewendet. Je nach Art der verwendeten Komponenten können eine oder beide der Komponenten den erforderlichen Temperatur- und/oder Druckbedingungen ausgesetzt werden.In a preferred embodiment of the invention, the increased pressure and/or the increased temperature is applied to the first component and/or the second component. Depending on the type of components used, one or both of the components may be exposed to the required temperature and/or pressure conditions.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der angewandte Druck zwischen 1 MPa und 50 MPa, vorzugsweise zwischen 10 MPa und 25 MPa, und/oder die angewandte Temperatur liegt zwischen Raumtemperatur und 300 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C und 200 °C.In a further preferred embodiment of the invention, the applied pressure is between 1 MPa and 50 MPa, preferably between 10 MPa and 25 MPa, and/or the applied temperature is between room temperature and 300 °C, preferably between 100 °C and 200 °C.

Das Verständnis der Erfindung wird durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung vertieft. Die beigefügten Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sind daher nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung. Die beigefügten Zeichnungen:

  • 1 zeigt die Komponenten, die in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden;
  • 2 zeigt einen Schritt in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 zeigt einen weiteren Schritt in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der in 1 dargestellten Komponenten;
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der in 1 dargestellten Komponenten;
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der in 1 dargestellten Komponenten;
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der in 1 dargestellten Komponenten;
  • 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der in 1 dargestellten Komponenten;
  • 9 zeigt ein Halbleiterleistungsmodul 4 über einem Kühler 5 mit einer dazwischen angeordneten Verbindungsanordnung 3, und
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform ähnlich der in 9 gezeigten Vorrichtung.
The understanding of the invention will be deepened by the following detailed description. The accompanying drawings are for illustrative purposes only and are therefore not limiting of the present invention. The attached drawings:
  • 1 shows the components used in a first embodiment of the method according to the invention;
  • 2 shows a step in the first embodiment of the method according to the invention;
  • 3 shows a further step in the first embodiment of the method according to the invention;
  • 4 shows an alternative embodiment of the in 1 components shown;
  • 5 shows another embodiment of the in 1 components shown;
  • 6 shows another embodiment of the in 1 components shown;
  • 7 shows another embodiment of the in 1 components shown;
  • 8th shows another embodiment of the in 1 components shown;
  • 9 shows a semiconductor power module 4 above a cooler 5 with a connection arrangement 3 arranged therebetween, and
  • 10 shows another embodiment similar to that in 9 device shown.

Zur Veranschaulichung von Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail auf die Zeichnungen verwiesen, wobei eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens in den 1 bis 3 dargestellt ist.To illustrate details of preferred embodiments of the present invention, reference is now made in detail to the drawings, with a first embodiment of the device according to the invention and the method according to the invention in the 1 until 3 is shown.

In 1 sind eine erste Komponente 1, eine zweite Komponente 2 und eine Verbindungsanordnung 3 zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 dargestellt.In 1 a first component 1, a second component 2 and a connection arrangement 3 between the first component 1 and the second component 2 are shown.

Die Verbindungsanordnung 3 umfasst ein Array von Nanodrähten. Die Nanodrähte können ein Metall, wie etwa Kupfer oder Aluminium, und/oder ein Nichtmetall, wie etwa ein Polymer, umfassen.The connection arrangement 3 comprises an array of nanowires. The nanowires may include a metal, such as copper or aluminum, and/or a nonmetal, such as a polymer.

In 2 werden die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 so zusammengebracht, dass die Verbindungsanordnung 3 zwischen den zwei Komponenten 1, 2 zusammengedrückt wird. Anschließend wird Druck ausgeübt, um die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 einander anzunähern und die Verbindungsanordnung 3 weiter zusammenzudrücken.In 2 the first component 1 and the second component 2 are brought together so that the connecting arrangement 3 between the two components 1, 2 is compressed. Pressure is then applied to bring the first component 1 and the second component 2 closer together and to further compress the connection arrangement 3.

In 3 wird die Verbindungsanordnung 3 für eine gewisse Zeit erhitzt und bildet so eine dauerhafte Verbindung zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2.In 3 the connection arrangement 3 is heated for a certain time and thus forms a permanent connection between the first component 1 and the second component 2.

Der Druck kann zwischen 1 MPa und 50 MPa, vorzugsweise zwischen 10 MPa und 25 MPa liegen. Eine geeignete Temperatur für die Fertigstellung der Verbindung kann zwischen Raumtemperatur und 300 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C und 200 °C liegen.The pressure can be between 1 MPa and 50 MPa, preferably between 10 MPa and 25 MPa. A suitable temperature for completing the connection can be between room temperature and 300 °C, preferably between 100 °C and 200 °C.

Es kann ein großer Vorteil sein, wenn das Material der Nanodrähte ein guter Wärmeleiter ist. Wenn die erste Komponente 1 ein Teil einer elektronischen Komponente ist, das gekühlt werden muss, und die zweite Komponente 2 Teil eines Kühlers ist, der zur Kühlung einer solchen elektronischen Komponente geeignet ist, wird auf diese Weise Wärme effizient von der ersten Komponente 1 zur zweiten Komponente 2 geleitet.It can be a great advantage if the material of the nanowires is a good conductor of heat. In this way, if the first component 1 is a part of an electronic component that needs to be cooled and the second component 2 is part of a cooler suitable for cooling such an electronic component, heat is transferred efficiently from the first component 1 to the second Component 2 directed.

Als Alternative zu der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform veranschaulichen die 4 und 5 Ausführungsformen, bei denen die Verbindungsanordnung 3 an der ersten Komponente 1 befestigt ist, wie in 4 gezeigt, oder an der zweiten Komponente 2 befestigt ist, wie in 5 gezeigt. Dies kann durch Vormontage der Verbindungsanordnung 3 auf der jeweiligen Komponente oder durch Aufwachsen, zum Beispiel auf chemischem oder physikalischem Wege, auf oder an der jeweiligen Komponente erfolgen. Bei einer solchen Ausführungsform werden die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 übereinander gestapelt, zusammengepresst und erhitzt, um die feste Verbindung herzustellen. Durch ein solches Verfahren entfällt die Notwendigkeit einer separaten Verbindungsanordnung 3 an der Montagestelle, so dass ein Fertigungsschritt eingespart werden kann, was wiederum zu Einsparungen führt.As an alternative to the one in the 1 until 3 The embodiment shown illustrates the 4 and 5 Embodiments in which the connection arrangement 3 is attached to the first component 1, as in 4 shown, or attached to the second component 2, as in 5 shown. This can be done by pre-assembling the connection arrangement 3 on the respective component or by growing, for example chemically or physically, on or on the respective component. In such an embodiment, the first component 1 and the second component 2 are stacked on top of each other, pressed together and heated to produce the solid connection. Such a procedure eliminates the need for a separate connection arrangement 3 at the assembly point, so that a manufacturing step can be saved, which in turn leads to savings.

Wie oben beschrieben, kann der Druck zwischen 1 MPa und 50 MPa, vorzugsweise zwischen 10 MPa und 25 MPa liegen. Eine geeignete Temperatur für die Fertigstellung der Verbindung kann zwischen Raumtemperatur und 300 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C und 200 °C liegen.As described above, the pressure can be between 1 MPa and 50 MPa, preferably between 10 MPa and 25 MPa. A suitable temperature for completing the connection can be between room temperature and 300 °C, preferably between 100 °C and 200 °C.

Es hat sich auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Verbindungsanordnung 3 wie in 6 gezeigt ausgebildet ist. Hier umfasst die Verbindungsanordnung 3 nicht nur ein Array von Nanodrähten 32, sondern auch eine Art Träger 31, wodurch das Array von Nanodrähten 32 leichter zu handhaben ist. Die Nanodrähte 32 sind auf der Unterseite des Trägers 31 montiert oder aufgewachsen. Der Träger 31 kann aus einem Kupferblech oder aus Aluminium oder einem beliebigen anderen Metall hergestellt sein. Die Dicke des Trägers 31 kann zwischen 10 µm und 5 mm betragen, wobei eine dickere Ausführung die Wärmeausbreitungsfähigkeit oder die Leitfähigkeit der Verbindung unterstützt.It has also proven to be very advantageous if the connection arrangement 3 is as in 6 shown is formed. Here, the connection arrangement 3 includes not only an array of nanowires 32, but also a type of carrier 31, which makes the array of nanowires 32 easier to handle. The nanowires 32 are mounted or grown on the underside of the carrier 31. The carrier 31 can be made of a copper sheet or of aluminum or any other metal. The thickness of the carrier 31 can be between 10 μm and 5 mm, with a thicker version supporting the heat propagation ability or the conductivity of the connection.

7 zeigt eine Ausführungsform mit einem ähnlichen Träger 31 wie in der Ausführungsform von 6, jedoch mit dem Array von Nanodrähten 33 auf der Oberseite des Trägers 31. Diese Ausführungsform bietet ähnliche Vorteile wie die in 6 gezeigte Ausführungsform. 7 shows an embodiment with a similar carrier 31 as in the embodiment of 6 , but with the array of nanowires 33 on the top of the carrier 31. This embodiment offers similar advantages to those in 6 embodiment shown.

8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Verbindungsanordnung 3 einen Träger 31 mit Nanodrähten 32, 33 sowohl auf der unteren als auch auf der oberen Oberfläche des Trägers 31 umfasst. 8th shows a further embodiment in which the connection arrangement 3 comprises a carrier 31 with nanowires 32, 33 on both the lower and upper surfaces of the carrier 31.

Die Nanodrähte 32, 33 der oben beschriebenen Verbindungsanordnungen 3 können eine Länge zwischen 5 µm und 500 µm haben. Längere Strukturen haben den Vorteil, dass sie mechanische Spannungen zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 in der fertig montierten Struktur effizienter abbauen können. Solche mechanischen Spannungen können durch Unebenheiten der zu verbindenden Oberflächen oder durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen benachbarten Komponenten verursacht werden.The nanowires 32, 33 of the connection arrangements 3 described above can have a length between 5 μm and 500 μm. Longer structures have the advantage that they can reduce mechanical stresses between the first component 1 and the second component 2 more efficiently in the fully assembled structure. Such mechanical stresses can be caused by unevenness of the surfaces to be connected or by different coefficients of thermal expansion between adjacent components.

Die Nanodrähte 32, 33, die die zwei Arrays von Nanodrähten 32, 33 in der in 8 gezeigten doppelseitigen Verbindungsanordnung 3 bilden, können die gleichen Abmessungen haben, dies ist jedoch nicht erforderlich.The nanowires 32, 33, which form the two arrays of nanowires 32, 33 in the in 8th Double-sided connection arrangement 3 shown can have the same dimensions, but this is not necessary.

Die Nanodrähte 32, 33 selbst werden in der Regel als Arrays einzelner Säulen mit jeweils einem Durchmesser von weniger als 1 µm gebildet. Es sind auch Durchmesser von nur 0,1 µm möglich. In einigen Ausführungsformen können die einzelnen Nanodrähte 32, 33 einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen, der in einer Richtung größer ist als in der anderen, so dass sie ovale, rechteckige oder andere Formen bilden. Es ist auch möglich, dass eine Querschnittsabmessung wesentlich größer als die andere ist, was zu einer bandförmigen Struktur führt.The nanowires 32, 33 themselves are generally formed as arrays of individual columns, each with a diameter of less than 1 μm. Diameters of just 0.1 µm are also possible. In some embodiments, the individual nanowires 32, 33 may have an asymmetric cross section that is larger in one direction than the other, forming oval, rectangular, or other shapes. It is also possible for one cross-sectional dimension to be significantly larger than the other, resulting in a band-like structure.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dichte der Nanodrahtstruktur unterschiedlich sein. Der Prozentsatz der von den Nanodrähten eingenommenen Fläche kann zwischen 50 % und 99,99 % liegen. So kann die Verbindungsanordnung zum Beispiel 50 % der Fläche ohne jegliche Nanodrähte und 50 % der Fläche mit Nanodrähten umfassen. Entsprechende Zwischenräume zwischen den Nanodrähten können in jedem Fall bereitgestellt werden.In different embodiments, the density of the nanowire structure may be different. The percentage of area occupied by the nanowires can range from 50% to 99.99%. For example, the interconnection arrangement may include 50% of the area without any nanowires and 50% of the area with nanowires. Appropriate gaps between the nanowires can be provided in any case.

In anderen Ausführungsformen kann die erste Komponente 1 und/oder die zweite Komponente 2 mit einer aufgerauten Oberfläche ausgebildet oder mit einer rauen Metallbeschichtung versehen werden, um die Verbindungsfläche für die Nanodrähte 32, 33 zu vergrößern. Auf diese Weise kann die Qualität der Verbindung zwischen den Nanodrähten 32, 33 und der ersten Komponente 1 und/oder der zweiten Komponente 2 verbessert werden.In other embodiments, the first component 1 and/or the second component 2 may be formed with a roughened surface or provided with a rough metal coating in order to increase the connection area for the nanowires 32, 33. In this way, the quality of the connection between the nanowires 32, 33 and the first component 1 and/or the second component 2 can be improved.

In anderen Ausführungsformen werden die Nanodrähte 32, 33 aus einem Polymer gebildet. Das Polymer wird so ausgewählt, dass es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie etwa 12 W/mK oder mehr. In einer solchen Ausführungsform führt die Anwendung von Druck zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 zu einer Verbindung zwischen den zwei Komponenten 1, 2, ohne dass die Temperatur erhöht werden muss. Dies hat den Vorteil, dass weniger Energie verbraucht wird und die Zeit für die Herstellung einer Verbindung zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 verkürzt wird. Solche Polymernanodrähte 32, 33 können vorteilhaft eingesetzt werden, wenn zum Beispiel die Oberfläche der ersten Komponente 1 aus einem Polymer gebildet ist und Polymernanodrähte 32, 33 auf der zweiten Komponente 2 angebracht werden, wie in 5 gezeigt. In diesem Fall kann die erste Komponente 1 mit der zweiten Komponente 2 durch einfache Anwendung von Druck verbunden werden, ohne die Temperatur zu erhöhen. Dies würde die Befestigung von Komponenten wie Leistungsmodulen auf Grundplatten oder Kühlern vereinfachen.In other embodiments, the nanowires 32, 33 are formed from a polymer. The polymer is selected to have a high thermal conductivity, such as 12 W/mK or more. In such an embodiment, the application of pressure between the first component 1 and the second component 2 results in a connection between the two components 1, 2 without the need to increase the temperature. This has the advantage that less energy is consumed and the time for establishing a connection between the first component 1 and the second component 2 is shortened. Such polymer nanowires 32, 33 can be used advantageously if, for example, the surface of the first component 1 is formed from a polymer and polymer nanowires 32, 33 are attached to the second component 2, as in 5 shown. In this case, the first component 1 can be connected to the second component 2 by simply applying pressure without increasing the temperature. This would make it easier to mount components such as power modules on baseplates or coolers.

9 zeigt ein Halbleiterleistungsmodul 4 über einem Kühler 5 mit einer dazwischen angeordneten Verbindungsanordnung 3, in der Art der in 8 dargestellten Ausführungsform. Das Halbleiterleistungsmodul 4 erzeugt im Betrieb Wärme, die abgeleitet werden muss, was durch den Kühler 5 geschieht. Die nach dem oben beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der Verbindungsanordnung 3 hergestellte Verbindung gewährleistet eine hohe Wärmeleitung zwischen dem Halbleiterleistungsmodul 4 und dem Kühler 5. 9 shows a semiconductor power module 4 above a cooler 5 with a device arranged in between neten connection arrangement 3, in the manner of in 8th illustrated embodiment. During operation, the semiconductor power module 4 generates heat that must be dissipated, which is done by the cooler 5. The connection produced according to the method described above and using the connection arrangement 3 ensures high heat conduction between the semiconductor power module 4 and the cooler 5.

10 zeigt eine ähnliche Vorrichtung wie in 9, jedoch sind hier zwei Halbleiterleistungsmodule 4, 6 mit einem Kühler 5 verbunden. 10 shows a similar device as in 9 , however, here two semiconductor power modules 4, 6 are connected to a cooler 5.

In den in 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen kann die Verbindungsfläche 41, 61 an der Unterseite der Halbleiterleistungsmodule 4, 6 aus der Bodenfläche einer Grundplatte, z. B. aus einem Metall wie Aluminium oder Kupfer, oder der Bodenfläche eines Substrats, z. B. aus einer „Direct Copper Bonding“-, DCB-, Struktur oder einer „Active Metal Brazing“-, AMB-, Struktur, gebildet werden.In the in 9 and 10 In the embodiments shown, the connecting surface 41, 61 on the underside of the semiconductor power modules 4, 6 can be made from the bottom surface of a base plate, e.g. B. from a metal such as aluminum or copper, or the bottom surface of a substrate, e.g. B. from a “Direct Copper Bonding”, DCB, structure or an “Active Metal Brazing”, AMB, structure.

Die für die Verbindung verwendete Fläche kann aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall bestehen. Alternativ kann sie auch aus einer Keramik oder einem Polymer, vorzugsweise mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hergestellt sein.The surface used for the connection can be made of copper, aluminum or another metal. Alternatively, it can also be made from a ceramic or a polymer, preferably with high thermal conductivity.

Unabhängig davon, aus welchem Material die für die Verbindung genutzte Fläche besteht, kann eine Kupfer- oder andere Metallschicht durch Techniken wie Kaltgasspritzen, galvanische Beschichtung, chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase wie Sputtern (PVD) oder Sintern von Kupferpartikeln auf diese Fläche gebildet oder aufgebracht werden.Regardless of what material the surface used for the connection is made of, a copper or other metal layer can be formed using techniques such as cold gas spraying, electroplating, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition such as sputtering (PVD) or sintering of copper particles are formed or applied to this surface.

Die zu verbindende Fläche kann zwischen 20 × 20 mm2 und 150 × 150 mm2 betragen.The area to be connected can be between 20 × 20 mm 2 and 150 × 150 mm 2 .

Die zweite Komponente 2 kann die Oberseite eines Kühlers 5 sein. Sie kann aus Kupfer, Aluminium oder einem beliebigen anderen Metall bestehen. Der Kühler 5 kann aus einem plattierten Material hergestellt sein, wobei der Hauptteil des Kühlers 5 aus Aluminium und die Oberseite des Kühlers 5 aus Kupfer besteht. Es ist auch möglich, dass eine Kupfer- oder andere Metallschicht durch andere Techniken auf dem Kühler 5 gebildet oder aufgebracht wird, wie etwa durch Kaltgasspritzen, galvanische Beschichtung, chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase wie Sputtern (PVD) oder Sintern von Kupferpartikeln.The second component 2 can be the top of a cooler 5. It can be made of copper, aluminum or any other metal. The radiator 5 may be made of a plated material, with the main part of the radiator 5 made of aluminum and the top of the radiator 5 made of copper. It is also possible for a copper or other metal layer to be formed or deposited on the cooler 5 by other techniques, such as cold gas spraying, electroplating, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition such as sputtering (PVD ) or sintering copper particles.

Claims (10)

Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung, umfassend eine erste Komponente (1), eine zweite Komponente (2) und eine Verbindungsanordnung (3), wobei die erste Komponente (1) und die zweite Komponente (2) durch die Verbindungsanordnung (3) miteinander verbunden sind und wobei die Verbindungsanordnung (3) ein Array von Nanodrähten (32, 33) umfasst.Power control device arrangement comprising a first component (1), a second component (2) and a connection arrangement (3), the first component (1) and the second component (2) being connected to one another by the connection arrangement (3), and wherein the connection arrangement (3) comprises an array of nanowires (32, 33). Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsflächen (41, 61) der ersten Komponente (1) und/oder der zweiten Komponente (2), die die Verbindungsanordnung (3) berühren, eben sind und/oder aus einer Bodenfläche einer Grundplatte oder eines Substrats gebildet sind und/oder dass die erste Komponente (1) und die zweite Komponente (2) nur durch die Verbindungsanordnung (3) miteinander verbunden sind.Power control device arrangement according to Claim 1 , characterized in that connecting surfaces (41, 61) of the first component (1) and / or the second component (2), which touch the connecting arrangement (3), are flat and / or are formed from a bottom surface of a base plate or a substrate and/or that the first component (1) and the second component (2) are connected to one another only by the connection arrangement (3). Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Array von Nanodrähten (32, 33) Kupfer-Nanodrähte (32, 33), Aluminium-Nanodrähte (32, 33) und/oder Polymer-Nanodrähte (32, 33) umfasst und/oder dass die Nanodrähte (32, 33) des Arrays von Nanodrähten (32, 33) eine Länge zwischen 5 µm und 500 µm und/oder einen Durchmesser unter 1 µm, vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,1 µm und 1 µm, aufweisen und/oder dass einzelne Nanodrähte (32, 33) asymmetrische Querschnitte aufweisen können, die vorzugsweise ovale, rechteckige und/oder andere Formen bilden und/oder dass eine Querschnittsabmessung der Nanodrähte (32, 33) wesentlich größer ist als eine andere Abmessung der Nanodrähte (32, 33).Power control device arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the array of nanowires (32, 33) comprises copper nanowires (32, 33), aluminum nanowires (32, 33) and / or polymer nanowires (32, 33) and /or that the nanowires (32, 33) of the array of nanowires (32, 33) have a length between 5 µm and 500 µm and/or a diameter of less than 1 µm, preferably a diameter between 0.1 µm and 1 µm, and /or that individual nanowires (32, 33) can have asymmetrical cross-sections, which preferably form oval, rectangular and/or other shapes and/or that a cross-sectional dimension of the nanowires (32, 33) is significantly larger than another dimension of the nanowires (32 , 33). Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung (3) auf der ersten Komponente (1) oder auf der zweiten Komponente (2) vormontiert oder aufgewachsen ist und/oder dass die erste Komponente (1) und/oder die zweite Komponente (2) aufgeraute und/oder beschichtete, vorzugsweise metallbeschichtete Oberflächen aufweisen.Power control device arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the connection arrangement (3) is pre-assembled or grown on the first component (1) or on the second component (2) and/or that the first component (1) and/or the second Component (2) has roughened and/or coated, preferably metal-coated surfaces. Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung (3) einen Träger (31) umfasst, wobei vorzugsweise das Array von Nanodrähten (32, 33) auf einer Oberfläche oder zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers (31) montiert oder aufgewachsen ist und/oder die Dicke des Trägers (31) zwischen 10 µm und 5 mm beträgt.Power control device arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the connection arrangement (3) comprises a carrier (31), preferably the array of nanowires (32, 33) being mounted or grown on one surface or two opposite surfaces of the carrier (31). and/or the thickness of the carrier (31) is between 10 µm and 5 mm. Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (1) und die zweite Komponente (2) ein Halbleiterleistungsmodul (4, 6) bzw. ein Kühler (5) sind.Power control device arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first component (1) and the second component (2) are a semiconductor power module (4, 6) and a cooler (5), respectively. Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte des Zusammenbringens der ersten Komponente (1), der zweiten Komponente (2) und der Verbindungsanordnung (3) und des Anwendens eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur auf die Leistungssteuerungsvorrichtungsanordnung zum Bilden einer festen Verbindung zwischen der ersten Komponente (1), der zweiten Komponente (2) und der Verbindungsanordnung (3).Method for providing a power control device arrangement according to one of Claims 1 until 6 , comprising the steps of bringing together the first component (1), the second component (2) and the connection assembly (3) and applying an increased pressure and / or an increased temperature to the power control device assembly to form a tight connection between the first component ( 1), the second component (2) and the connection arrangement (3). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Druck und/oder die erhöhte Temperatur auf die erste Komponente (1) und/oder die zweite Komponente (2) angewendet wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the increased pressure and/or the increased temperature is applied to the first component (1) and/or the second component (2). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der angewendete Druck zwischen 1 MPa und 50 MPa, vorzugsweise zwischen 10 MPa und 25 MPa liegt.Procedure according to Claim 7 or 8th , characterized in that the pressure applied is between 1 MPa and 50 MPa, preferably between 10 MPa and 25 MPa. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die angewendete Temperatur zwischen Raumtemperatur und 300 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C und 200 °C liegt.Procedure according to one of the Claims 7 until 9 , characterized in that the temperature used is between room temperature and 300 °C, preferably between 100 °C and 200 °C.
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