DE102022207429A1

DE102022207429A1 - Entwärmungseinrichtung für einen Stromrichter für ein Fahrzeug, Stromrichter, elektrischer Achsantrieb, Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022207429A1
Application number: DE102022207429.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bosch; Manuel Raimann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01
Also published as: CN117440654A; US20240030094A1

Abstract

Es wird eine Entwärmungseinrichtung (130) für einen Stromrichter für ein Fahrzeug vorgestellt, die einen Kühlkörper (200) aufweist, der auf einer ersten Seite (215) eine Wärmeabgabestruktur (220) zum Abgeben von auf den Kühlkörper (200) wirkender Wärme und auf einer der ersten Seite (215) abgewandten zweiten Seite (225) eine Verbindungsfläche (230) zum Aufnehmen von Wärme eines mit der Verbindungsfläche (230) verbundenen Halbleiters (205) aufweist, sowie den Halbleiter (205), der eine Abgabefläche (235) zum Abgeben von Wärme zu der Verbindungsfläche (230) aufweist, und eine Isolationsschicht (210), die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist und die zwischen der Verbindungsfläche (230) des Kühlkörpers (200) und der Abgabefläche (235) des Halbleiters (205) angeordnet ist und ausgebildet ist, um den Kühlkörper (200) und den Halbleiter (205) mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Entwärmungseinrichtung für einen Stromrichter für ein Fahrzeug, einen Stromrichter, einen elektrischen Achsantrieb, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung.
Stromrichter werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, so beispielsweise in der Automobilindustrie.
Die DE 10 2015 211 202 A1 beschreibt ein Umrichtergehäuse, das in einem Fahrzeug installiert ist, und einen Körper mit einer Plattenform aufweist.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Entwärmungseinrichtung für einen Stromrichter für ein Fahrzeug, einen verbesserten Stromrichter, einen verbesserten elektrischen Achsantrieb, ein verbessertes Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird beispielsweise eine Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung und Isolation geschaffen. Durch diese Doppelfunktion der Verbindung können beispielsweise Arbeitszeit und somit Fertigungskosten bei der Herstellung der Entwärmungseinrichtung eingespart werden.
Es wird eine Entwärmungseinrichtung für einen Stromrichter für ein Fahrzeug vorgestellt. Die Entwärmungseinrichtung weist einen Kühlkörper auf, der auf einer ersten Seite eine Wärmeabgabestruktur zum Abgeben von auf den Kühlkörper wirkender Wärme und auf einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite eine Verbindungsfläche zum Aufnehmen von Wärme eines mit der Verbindungsfläche verbundenen Halbleiters aufweist. Weiterhin weist die Entwärmungseinrichtung den Halbleiter, der eine Abgabefläche zum Abgeben von Wärme zu der Verbindungsfläche aufweist, und eine Isolationsschicht auf, die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist und die zwischen der Verbindungsfläche des Kühlkörpers und der Abgabefläche des Halbleiters angeordnet ist. Die Isolationsschicht ist ausgebildet, um den Kühlkörper und den Halbleiter mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Der Kühlkörper kann als Wärmeabgabestruktur beispielsweise eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweisen, über welche die Wärme an beispielsweise eine Umgebung des Kühlkörpers abgegeben werden kann. Die Wärme kann dabei über die Verbindungsfläche aufgenommen werden. Der Halbleiter kann beispielsweise als eine oder auf einer Platine ausgeformt sein, die ausgebildet sein kann, um den Stromrichter anzusteuern. Die Isolationsschicht kann beispielsweise als ein Isolationsmedium ausgeführt sein. Vorteilhafterweise kann durch eine Wahl des Materials der Isolationsschicht einerseits eine Kostenreduktion gegenüber einer herkömmlichen Herstellung erreicht sowie auf einen Löt- oder Sinterprozess verzichtet werden. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass nicht dauerhaft Druck aufgebracht wird, um die Verbindung des Halbleiters und des Kühlkörpers wahren zu können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Isolationsschicht stoffschlüssig mit der Verbindungsfläche und der Abgabefläche verbunden, beispielsweise miteinander verklebt sein. Genauer gesagt kann die Isolationsschicht vorteilhafterweise als haftendes Medium ausgeführt sein, das wie ein Klebstoff wirken kann. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer sehr zuverlässig haltenden Verbindung zwischen dem Halbleiter und dem Kühlkörper.
Weiterhin kann die Isolationsschicht in das Polymer eingebettete oder auf das Polymer aufgetragene keramische Partikel aufweisen. Das bedeutet, dass die einzelnen Materialien beispielsweise geschichtet oder miteinander vermengt sein können. Vorteilhafterweise kann die Isolationsschicht an dem Kühlkörper, das bedeutet an der Verbindungsfläche, und zusätzlich oder alternativ an der Abgabefläche des Halbleiters angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die Verwendung von keramischen Partikeln eine hohe elektrische Isolationswirkung realisieren zu können.
Der Halbleiter kann ferner als ein (beispielsweise nichtisoliertes) vergossenes Elektronikbauteil ausgeformt sein. Vorteilhafterweise können durch den vorgestellten Ansatz Kosten reduziert werden, da der Halbleiter selbst keine Isolierung aufweisen braucht.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Entwärmungseinrichtung mindestens einen weiteren Halbleiter aufweisen, der eine weitere Abgabefläche zum Auflegen des weiteren Halbleiters auf die Verbindungsfläche aufweisen kann. Weiterhin kann die Isolationsschicht ausgebildet sein und zusätzlich oder alternativ eine weitere Isolationsschicht vorgesehen sein, die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweisen kann und die zwischen der Verbindungsfläche und der weiteren Abgabefläche des weiteren Halbleiter angeordnet sein kann, um den Kühlkörper und den weiteren Halbleiter mechanisch und thermisch miteinander verbinden und elektrisch voneinander isolieren zu können. Der weitere Halbleiter kann beispielsweise wie auch der Halbleiter als ein nichtisoliertes vergossenes Elektronikbauteil ausgeformt sein. Beispielsweise können beide Halbleiter nebeneinander auf der Verbindungsfläche angeordnet sein. Ferner kann die Isolationsschicht beispielsweise auf der gesamten Verbindungsfläche angeordnet sein. Alternativ dazu ist es denkbar, dass zwischen der Verbindungsfläche und der weiteren Abgabefläche eine weitere Isolationsschicht angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eine hohe Entwärmungsfähigkeit bei geringem Bauraumbedarf zu ermöglichen.
Weiterhin kann der Kühlkörper ein Metall aufweisen, insbesondere Kupfer oder Aluminium. Vorteilhafterweise kann die wirkende Wärme durch die Materialwahl des Kühlkörpers besser abgeleitet werden, da Metalle generell eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zudem weist Kupfer eine gute elektrische Leitfähigkeit auf.
Daneben betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, für ein Kraftfahrzeug mit einer Entwärmungseinrichtung. Der Stromrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Entwärmungseinrichtung wie beschrieben ausgebildet ist.
Auch durch eine solche Ausführungsform können die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes schnell und effizient realisiert werden.
Der Stromrichter kann gemäß einer Ausführungsform ein Gehäuse aufweisen, wobei die Entwärmungseinrichtung mit dem Gehäuse thermisch und zusätzlich oder alternativ mechanisch gekoppelt sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindungsfläche des Kühlkörpers bündig mit einer Außenwand des Gehäuses abschließen. Das Gehäuse kann beispielsweise einen Kunststoff aufweisen und kann beispielsweise ausgebildet sein, um den Stromrichter vor äußeren Einflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit oder Schmutzpartikeln, zu schützen. Die Verbindungsfläche und die Außenwand können dabei bündig innerhalb eines Toleranzbereichs zueinander abschließen. Das bedeutet, dass zwischen der Außenwand und der Verbindungsfläche eine kleine Stufe vorhanden sein kann (beispielsweise im Bereich von bis zu 2 mm), um beispielsweise eine thermische Ausdehnung ausgleichen und dadurch den Stromrichter vor einer Fehlfunktion schützen zu können.
Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb für ein auch als Kraftfahrzeug bezeichnetes Fahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Stromrichter. Der elektrischen Achsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist. Die Getriebeeinrichtung kann beispielsweise ein Getriebe zum Reduzieren der Drehzahl der elektrischen Maschine sowie ein Differenzial aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Achsantrieb und/oder einem Stromrichter. Das Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Achsantrieb und/oder der Stromrichter wie beschrieben ausgebildet ist.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung in einer zuvor genannten Variante vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens des Kühlkörpers mit der Wärmeabgabestruktur und der Verbindungsfläche, des Halbleiters mit der Abgabefläche und der Isolationsschicht umfasst, die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufbringens der Isolationsschicht auf die Verbindungsfläche des Kühlkörpers und zusätzlich oder alternativ auf die Abgabefläche des Halbleiters sowie einen Schritt des Zusammenfügens des Kühlkörpers, des Halbleiters und der Isolationsschicht, wobei die Isolationsschicht zwischen der Verbindungsfläche des Kühlkörpers und der Abgabefläche des Halbleiter angeordnet ist, um den Kühlkörper und den Halbleiter mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Das Verfahren kann beispielsweise automatisiert durchgeführt werden. Auch durch eine solche Ausführungsform können die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes schnell und effizient realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Aufbringens die Isolationsschicht auf den Kühlkörper und zusätzlich oder alternativ auf den Halbleiter in einer von mehreren sich voneinander unterscheidenden Aushärtungsstufen aufgebracht werden, insbesondere wobei eine erste Aushärtungsstufe als Feuchtstufe, eine zweite Aushärtungsstufe als Vortrocknungsstufe und eine dritte Aushärtungsstufe als Trockenstufe ausgeführt werden kann. Die Aushärtungsstufen können sich beispielsweise in ihren Feuchtigkeitsgraden unterscheiden. Beispielsweise kann die Feuchtstufe einen größeren Feuchtigkeitswert aufweisen als die Vortrocknungsstufe. Die Vortrocknungsstufe wiederum kann einen größeren Wert aufweisen als die Trockenstufe, aber einen kleineren Wert als die Feuchtstufe. Vorteilhafterweise können die Aushärtungsstufen anhand von zwei unterschiedlichen vorgegebenen Grenzwerten definiert werden, die sich auf ebendiese Feuchtigkeitswerte beziehen und sich je nach einer Wahl des Materials unterscheiden können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die Wahl der Aushärtungsstufe eine besonders stabile und zuverlässig haltende Verbindung zwischen der Isolationsschicht, dem Kühlkörper und der Wärmeabgabestruktur sicherstellen zu können.
Im Schritt des Aufbringens kann gemäß einer Ausführungsform die Isolationsschicht unter Verwendung eines Aufbringungsdrucks und einer Aufbringungstemperatur auf den Kühlkörper und zusätzlich oder alternativ auf den Halbleiter aufgebracht werden. Beispielsweise kann der Aufbringungsdruck größer sein als ein vorgegebener Druckschwellwert und die Aufbringungstemperatur kann größer sein als eine Schwelltemperatur, sodass vorteilhafterweise die stoffschlüssige Verbindung des Halbleiters und des Kühlkörpers unter Verwendung der Isolationsschicht sicher hergestellt werden kann.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in entsprechend eingerichteten Einheiten verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Entwärmungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel für einen Stromrichter;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Entwärmungseinrichtung für einen Stromrichter;
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung; und
5 ein Blockschaltbild für eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeug 100 kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug sein und weist einen elektrischen Achsantrieb 105 auf, der wiederum mindestens eine elektrische Maschine 110, eine optionale Getriebeeinrichtung 115 und einen Stromrichter 120 aufweist. Der Stromrichter 120 ist beispielsweise als ein Wechselrichter realisiert und ist demnach ausgebildet, um beispielsweise Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Die elektrische Maschine 110 ist beispielsweise auch als Antriebseinheit oder als ein Elektromotor realisierbar oder realisiert und ist beispielsweise mit der optionalen Getriebeeinrichtung 115 gekoppelt. Das Fahrzeug 100 weist weiterhin eine Energieversorgungseinrichtung 125 auf, die beispielsweise als Batterie oder Akku ausgebildet ist. Die Energieversorgungseinrichtung 125 ist beispielsweise ausgeformt, um Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fahrzeugsensoren und/oder die elektrische Maschine 110 zu bestromen und dadurch anzutreiben. Der Stromrichter 120 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen die Energieversorgungseinrichtung 125 und die elektrische Maschine 110 geschaltet. Der Stromrichter 120 weist weiterhin eine Entwärmungseinrichtung 130, wie sie in mindestens einer der nachfolgenden Figuren näher beschrieben wird, einen Kondensator 135 sowie eine Mehrzahl von Schaltern 140 auf, beispielsweise sechs an der Zahl, die mittels einer Mehrzahl von elektrischen Leitungen 145 mit der elektrischen Maschine 110 gekoppelt sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Entwärmungseinrichtung 130 gemäß einem Ausführungsbeispiel für einen Stromrichter. Die Entwärmungseinrichtung 130 ist dabei für einen Stromrichter verwendbar, wie er beispielsweise in 1 als Teil eines Fahrzeugs beschrieben wurde. Die Entwärmungseinrichtung 130 weist dabei einen Kühlkörper 200, einen Halbleiter 205 sowie eine Isolationsschicht 210 auf. Beispielsweise kann der Halbleiter 205 ein in Halbleitertechnik realisierter Schalter entsprechend dem Schalter 140 aus 1 sein, beispielsweise ein MOSFET-Schalter, ein IGBT oder ein Thyristor. Der Kühlkörper 200 weist auf einer ersten Seite 215 eine Wärmeabgabestruktur 220 zum Abgeben von auf den Kühlkörper 200 wirkender Wärme und auf einer der ersten Seite 215 abgewandten zweiten Seite 225 eine Verbindungsfläche 230 zum Aufnehmen von Wärme des mit der Verbindungsfläche 230 verbundenen oder gemäß diesem Ausführungsbeispiel verbindbaren Halbleiters 205 auf. Die Wärmeabgabestruktur 220 ist beispielsweise in Form von Kühlrippen realisiert, die quer zu einer Haupterstreckungsachse 232 angeordnet sind. Die Wärme entsteht beispielsweise durch ein Bestromen des Halbleiters 205 oder alternativ anderer elektrischer Komponenten des Stromrichters und wird unter Verwendung des Kühlkörpers 200 abgeleitet, um beispielsweise Störungen, die auf Überhitzung zurückzuführen sind, zu vermeiden. Der Kühlkörper 200 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Metall auf, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die Wahl des Metalls hängt dabei beispielsweise von den entsprechenden Eigenschaften des Materials ab. Metalle weisen in der Regel eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, sodass die von dem Halbleiter 205 ausgehende Wärme entsprechend abgeleitet wird. Der Halbleiter 205 wiederum weist eine Abgabefläche 235 zum Abgeben von Wärme zu der Verbindungsfläche 230 auf, sofern die Entwärmungseinrichtung 130 montiert, beziehungsweise in einem Betriebszustand und demnach mit dem Kühlkörper 200 verbunden ist. Die Isolationsschicht 210 weist ein Polymer mit keramischen Partikeln auf, die beispielsweise in das Polymer eingebettet oder auf das Polymer aufgetragen sind, und ist zwischen der Verbindungsfläche 230 und der Abgabefläche 235 angeordnet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, dass die Isolationsschicht 210 oder beispielsweise eine weitere Isolationsschicht 240 an dem Halbleiter 205, genauer gesagt an der Ablagefläche 235, angeordnet ist, um den Kühlkörper 200 und den Halbleiter 205 mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren, beispielsweise stoffschlüssig. Das bedeutet, dass Kühlkörper 200 und Halbleiter 205 beispielsweise miteinander unter Verwendung der Isolationsschicht 210 und/oder der weiteren Isolationsschicht 240 beispielsweise verklebt werden, sodass beispielsweise ein Löten oder Sintern der beiden Komponenten verzichtbar ist.
Der Halbleiter 205 ist beispielsweise als ein nichtisoliertes vergossenes Elektronikbauteil ausgeformt, das mit dem Kühlkörper 200 verbunden oder verbindbar ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Halbleiter 205 einen Korpus 245 auf, beispielsweise Vergussmaterial, das um Elektronikelemente 250 herum angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Halbleiter 205 weiterhin eine elektrische Verbindungsleitung 255 auf.
In anderen Worten ausgedrückt ist die Isolationsschicht 210 als polymer-keramische Beschichtung oder Folie ausgeformt, um eine Isolation zu bewirken, welche gleichzeitig der mechanischen Anbindung dient. Der Halbleiter 205 als diskretes Halbleiterbauelement, das beispielsweise in einem Gehäuse des Stromrichters angeordnet ist, weist standardmäßig keine elektrische Isolation auf. Die thermische Anbindung und elektrische Isolation erfolgt daher unter Verwendung der Isolationsschicht 210. Durch den vorgestellten Ansatz wird daher eine einfache System integration erreicht.
Mit der Isolationsschicht 210 ist es möglich, eine bisher übliche Keramik oder eine Isolationsfolie zu ersetzten. Gleichzeitig wird die stoffschlüssige Verbindung mit dem Halbleiter 205 hergestellt. Durch die vorapplizierte Isolationsschicht 210 wird der Aufbauprozess eines Stromrichters als vereinfacht. Die Isolationsschicht 210 wird entweder auf den nichtisolierten, vergossenen oder gemoldeten Halbleiter 210 oder auf dem Kühlkörper 200 aufgebracht. Wie bereits beschrieben weist die Isolationsschicht 210 ein Polymer mit keramischen Partikeln auf. Diese Isolationsschicht 210 wird beispielsweise in verschiedenen ausgehärteten Stufen appliziert, die im Folgenden als Aushärtungsstufen beschrieben sind. Eine erste Aushärtungsstufe wird beispielsweise als A-State bezeichnet und weist die Eigenschaft „nicht ausgehärtet“ auf. Eine zweite Aushärtungsstufe, auch B-State, weist die Eigenschaft „teilausgehärtet“ auf. Eine dritte Aushärtungsstufe oder C-State weist dagegen die Eigenschaft „voll ausgehärtet“ auf.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist also zusammenfassend beschrieben, dass die Isolationsschicht 210 gleichzeitig als thermische und mechanische Anbindung mit elektrischer Isolation realisiert ist. Somit werden diskrete Halbleiter 205 vergossen und ohne Isolation auf den Kühlkörper 200 mittels Druck und Temperatur aufgebracht.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Entwärmungseinrichtung 130 für einen Stromrichter. Die Entwärmungseinrichtung 130 ähnelt dabei der in 2 beschriebenen Entwärmungseinrichtung 130 und ist dem entsprechend auch in einem Fahrzeug realisierbar, wie es beispielsweise in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Entwärmungseinrichtung 130 in betriebsbereitem Zustand, das bedeutet montiert dargestellt, sodass die Isolationsschicht 210 zwischen dem Halbleiter 200 und einem weiteren Halbleiter 300 angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Entwärmungseinrichtung 130 mit dem Gehäuse 305 des Stromrichters thermisch und/oder mechanisch derart verbunden, dass die Verbindungsfläche 230 lediglich optional bündig und innerhalb eines Toleranzbereichs mit einer Außenwand 310 des Gehäuses 305 abschließt. Der Toleranzbereich bezieht sich beispielsweise auf einen Spielraum zwischen dem Kühlkörper 200 und der Außenwand 310, um beispielsweise Temperaturunterschiede auszugleichen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Entwärmungseinrichtung 130 den weiteren Halbleiter 310 auf, der analog zu dem Halbleiter 205 ausgeformt ist. Der weitere Halbleiter 310 weist demnach eine weitere Ablagefläche 315 auf, die ausgebildet ist, um den weiteren Halbleiter 310 auf die Verbindungsfläche 230 aufzulegen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolationsschicht 210 wie zuvor beschrieben auf dem Kühlkörper 200 angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist es jedoch möglich, dass an der weiteren Ablagefläche 315 eine weitere Isolationsschicht angeordnet ist, die wie auch die Isolationsschicht 210 ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist. Die Isolationsschicht 210 und/oder die weitere Isolationsschicht ist also gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Verbindungsfläche 230 und der weiteren Abgabefläche 315 des weiteren Halbleiters 300 angeordnet und vorgesehen, um den Kühlkörper 200 und den weiteren Halbleiter 300 mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren. Wie auch in 2 dargestellt weist der Halbleiter 205 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Verbindungsleitung 255 auf. Analog dazu weist der weitere Halbleiter 300 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine weitere elektrische Verbindungsleitung 320 auf. Die Verbindungsleitungen 255, 320 weisen gemäß diesem Ausführungsbeispiel je einen Koppelabschnitt 325, 330 auf, an welchen jeweils ein Verbindungabschnitt 335, 340 angrenzt. Demnach ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein erster Koppelabschnitt 325 quer zu einem ersten Verbindungsabschnitt 335 und ein zweiter Koppelabschnitt 330 quer zu einem zweiten Verbindungsabschnitt 340 angeordnet, insbesondere rechtwinklig, sodass der erste Verbindungsabschnitt 335 und der zweite Verbindungsabschnitt 340 parallel zueinander angeordnet oder ausgerichtet sind. Alternativ ist es denkbar, die Verbindungsleitungen 255, 320 je nach Anwendung anderweitig zu verlegen oder anzuordnen.
Weiterhin wirkt gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Aufbringungsdruck 345 und eine Aufbringungstemperatur 350 auf die Entwärmungseinrichtung 130 und somit auf die Isolationsschicht 210.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung. Das Durch das Verfahren 400 wird eine Entwärmungseinrichtung hergestellt, wie sie beispielsweise in einer der 1 bis 3 beschrieben wurde. Das Verfahren 400 ist weiterhin maschinell durchführbar. Das Verfahren 400 umfasst dazu einen Schritt 405 des Bereitstellens, einen Schritt 410 des Aufbringens und einen Schritt 415 des Zusammenfügens. Im Schritt 405 des Bereitstellens werden der Kühlkörper mit der Wärmeabgabestruktur und der Verbindungsfläche, der Halbleiters mit der Abgabefläche und die Isolationsschicht bereitgestellt, die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist. Im Schritt 410 des Aufbringens wird die Isolationsschicht auf die Verbindungsfläche des Kühlkörpers und/oder auf die Abgabefläche des Halbleiters aufgebracht. Im Schritt 415 des Zusammenfügens werden der Kühlkörper, der Halbleiter und die Isolationsschicht zusammengefügt, wobei die Isolationsschicht zwischen der Verbindungsfläche des Kühlkörpers und der Abgabefläche des Halbleiters angeordnet ist, um den Kühlkörper und den Halbleiter mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren. Lediglich optional wird im Schritt 410 des Aufbringens die Isolationsschicht auf den Kühlkörper und/oder auf den Halbleiter in einer von mehreren sich voneinander unterscheidenden Aushärtungsstufen aufgebracht. Insbesondere wird eine erste Aushärtungsstufe als Feuchtstufe, eine zweite Aushärtungsstufe als Vortrocknungsstufe und eine dritte Aushärtungsstufe als Trockenstufe ausgeführt. Das bedeutet, dass die unterschiedlichen Aushärtungsstufen sich in ihrem Anteil einer Feuchtigkeit unterscheiden. Beispielsweise unterscheiden sich die Aushärtungsstufen anhand des Materials der Isolationsschicht und/oder anhand eines Feuchtigkeitsanteils voneinander. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bedeutet das, dass die Feuchtstufe beispielsweise einen größeren Feuchtigkeitsanteil aufweist als die Vortrocknungsstufe und die Trockenstufe. Die Vortrocknungsstufe liegt demnach beispielsweise im Mittelfeld und weist einen kleineren Feuchtigkeitsanteil auf als die Feuchtstufe, aber einen größeren Anteil als die Trockenstufe. Umgekehrt bedeutet das, dass die Trockenstufe den kleinsten Feuchtigkeitsanteil der drei Aushärtungsstufen aufweist.
Lediglich optional wird im Schritt 410 des Aufbringens die Isolationsschicht unter Verwendung eines Aufbringungsdrucks und einer Aufbringungstemperatur auf den Kühlkörper und/oder den Halbleiter aufgebracht. Der Aufbringungsdruck ist dabei größer als ein Druckschwellwert und die Aufbringungstemperatur ist größer als ein Temperaturschwellwert.
In anderen Worten ausgedrückt wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Integrationsprozess von diskreten Bauteilen auf einem Kühlkörper, der auch als „Cooling Plate“ bezeichnet wird, für skalierbare Stromrichter vorgestellt, die auch als Inverter bezeichnet werden.
5 zeigt ein Blockschaltbild für eine Vorrichtung 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 500 ist beispielsweise als ein Steuergerät oder eine Steuereinheit ausgeformt, die ausgebildet ist, um ein Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung anzusteuern und/oder durchzuführen, wie es beispielsweise in 4 beschrieben wurde. Die Vorrichtung 500 weist beispielsweise eine Bereitstelleinheit 505, eine Aufbringungseinheit 510 und eine Zusammenfügeinheit 515 auf. Die Bereitstelleinheit 505 ist dabei ausgebildet, um ein Bereitstellen des Kühlkörpers mit der Wärmeabgabestruktur und der Verbindungsfläche, des Halbleiters mit der Abgabefläche und der Isolationsschicht zu bewirken, die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist. Die Ausbringungseinheit 510 ist ausgebildet, um ein Aufbringen der Isolationsschicht auf die Verbindungsfläche des Kühlkörpers und/oder auf die Abgabefläche des Halbleiters zu bewirken. Die Zusammenfügeinheit 515 ist ausgebildet, um ein Zusammenfügen des Kühlkörpers, des Halbleiters und der Isolationsschicht zu bewirken, wobei die Isolationsschicht zwischen der Verbindungsfläche des Kühlkörpers und der Abgabefläche des Halbleiters angeordnet ist, um den Kühlkörper und den Halbleiter mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichen

100: Fahrzeug
105: elektrischer Achsantrieb
110: elektrische Maschine
115: Getriebeeinrichtung
120: Stromrichter
125: Energieversorgungseinrichtung
130: Entwärmungseinrichtung
135: Kondensator
140: Mehrzahl von Schaltern
145: elektrische Leitungen
200: Kühlkörper
205: Halbleiter
210: Isolationsschicht
215: erste Seite
220: Wärmeabgabestruktur
225: zweite Seite
230: Verbindungsfläche
232: Haupterstreckungsachse
235: Abgabefläche
240: weitere Isolationsschicht
245: Korpus
250: Elektronikelemente
255: Verbindungsleitung
300: weiterer Halbleiter
305: Gehäuse
310: Außenwand
315: weitere Abgabefläche
320: weitere Verbindungsleitung
325: erster Koppelabschnitt
330: zweiter Koppelabschnitt
335: erster Verbindungsabschnitt
340: zweiter Verbindungsabschnitt
345: Aufbringungsdruck
350: Aufbringungstemperatur
400: Verfahren zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung
405: Schritt des Bereitstellens
410: Schritt des Aufbringens
415: Schritt des Zusammenfügens
500: Vorrichtung
505: Bereitstelleinheit
510: Aufbringungseinheit
515: Zusammenfügeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015211202 A1 [0003]

Claims

Entwärmungseinrichtung (130) für einen Stromrichter (120) für ein Fahrzeug (100), wobei die Entwärmungseinrichtung (130) die folgenden Merkmale aufweist: - einen Kühlkörper (200), der auf einer ersten Seite (215) eine Wärmeabgabestruktur (220) zum Abgeben von auf den Kühlkörper (200) wirkender Wärme und auf einer der ersten Seite (215) abgewandten zweiten Seite (225) eine Verbindungsfläche (230) zum Aufnehmen von Wärme eines mit der Verbindungsfläche (230) verbundenen Halbleiters (205) aufweist; - den Halbleiter (205), der eine Abgabefläche (235) zum Abgeben von Wärme zu der Verbindungsfläche (230) aufweist; und - eine Isolationsschicht (210), die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist und die zwischen der Verbindungsfläche (230) des Kühlkörpers (200) und der Abgabefläche (235) des Halbleiters (205) angeordnet ist und ausgebildet ist, um den Kühlkörper (200) und den Halbleiter (205) mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Entwärmungseinrichtung (130) gemäß Anspruch 1, wobei die Isolationsschicht (210) stoffschlüssig mit der Verbindungsfläche (230) und der Abgabefläche (235) verbunden.
Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (210) in das Polymer eingebettete oder auf das Polymer aufgetragene keramische Partikel aufweist.
Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Halbleiter (205) als ein vergossenes Elektronikbauteil ausgeformt ist.
Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit mindestens einem weiteren Halbleiter (300), der eine weitere Abgabefläche (315) zum Auflegen des weiteren Halbleiters (300) auf die Verbindungsfläche (230) aufweist, wobei die Isolationsschicht (210) ausgebildet und/oder eine weitere Isolationsschicht (240), die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist und die zwischen der Verbindungsfläche (230) und der weiteren Abgabefläche (315) des weiteren Halbleiters (300) angeordnet und vorgesehen ist, um den Kühlkörper (200) und den weiteren Halbleiter (300) mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kühlkörper (200) ein Metall aufweist, insbesondere Kupfer oder Aluminium.
Stromrichter (120), insbesondere Wechselrichter, mit einer Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Stromrichter (120) gemäß Anspruch 8, mit einem Gehäuse (305), wobei die Entwärmungseinrichtung (130) mit dem Gehäuse (305) thermisch und/oder mechanisch gekoppelt ist, und/oder wobei die Verbindungsfläche (230) des Kühlkörpers (200) bündig mit einer Außenwand (310) des Gehäuses (305) abschließt.
Elektrischer Achsantrieb (105) für ein Kraftfahrzeug (100) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (110), einer Getriebeeinrichtung (115) und einem Stromrichter (120) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8.
Fahrzeug (100), umfassend einen elektrischen Achsantrieb (105) gemäß Anspruch 9 und/oder einen Stromrichter (120) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8 und/oder eine Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren (400) zum Herstellen einer Entwärmungseinrichtung (130) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen (405) des Kühlkörpers (200) mit der Wärmeabgabestruktur (220) und der Verbindungsfläche (230), des Halbleiters (205) mit der Abgabefläche (235) und der Isolationsschicht (210), die ein Polymer mit keramischen Partikeln aufweist; - Aufbringen (410) der Isolationsschicht (210) auf die Verbindungsfläche (230) des Kühlkörpers (200) und/oder auf die Abgabefläche (235) des Halbleiters (205); und - Zusammenfügen (415) des Kühlkörpers (200), des Halbleiters (205) und der Isolationsschicht (210), wobei die Isolationsschicht (210) zwischen der Verbindungsfläche (230) des Kühlkörpers (200) und der Abgabefläche (235) des Halbleiters (205) angeordnet wird, um den Kühlkörper (200) und den Halbleiter (205) mechanisch und thermisch miteinander zu verbinden und elektrisch voneinander zu isolieren.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 11, wobei im Schritt (410) des Aufbringens die Isolationsschicht (210) auf den Kühlkörper (200) und/oder auf den Halbleiter (205) in einer von mehreren sich voneinander unterscheidenden Aushärtungsstufen aufgebracht wird, insbesondere wobei eine erste Aushärtungsstufe als Feuchtstufe, eine zweite Aushärtungsstufe als Vortrocknungsstufe und eine dritte Aushärtungsstufe als Trockenstufe ausgeführt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei im Schritt (410) des Aufbringens die Isolationsschicht (210) unter Verwendung eines Aufbringungsdrucks (345) und einer Aufbringungstemperatur (350) auf den Kühlkörper (200) und/oder den Halbleiter (205) aufgebracht wird.
Vorrichtung (500), die eingerichtet ist, um die Schritte (405, 410, 415) des Verfahrens (400) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 in entsprechenden Einheiten (505, 510, 515) auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (405, 410, 415) des Verfahrens (400) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 auszuführen und/oder anzusteuern.