DE102022209698A1 - Fluiddurchströmbarer Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls - Google Patents

Fluiddurchströmbarer Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluiddurchströmbaren Kühler (100) zum Kühlen eines Leistungsmoduls (208), welches ein Leistungssubstrat umfasst. Der fluiddurchströmbare Kühler (101) umfasst ein erstes Metallteil (101), ein zweites Metallteil (102) und eine Kühlstruktur (1). Das erste Metallteil (101) und das zweite Metallteil (102) sind mittels eines Lötvorgangs miteinander verbunden, und definieren einen Kühlkanal (111), der von einem Fluid durchströmbar ist und in dem die Kühlstruktur (1) angeordnet ist. Das erste Metallteil (101) weist einen Aufnahmebereich (109) auf, an dem das Leistungsmodul (208) befestigbar ist. Das erste Metallteil (101) ist aus einem Metallmaterial ausgebildet, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als ein Ausdehnungskoeffizient des Leistungssubstrates (208) ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung (1000) mit einem derartigen Kühler (100) und einem Leistungsmodul (200).

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls mit einem Leistungssubstrat. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung mit einem Leistungsmodul, welches ein Leistungssubstrat umfasst, und einem derartigen fluiddurchströmbaren Kühler. Die Leistungselektronik-Anordnung kann insbesondere eine Mehrzahl von Leistungsmodulen umfassen, die mittels des Kühlers gekühlt werden.
  • Leistungshalbleiter eines Leistungsmoduls in der Leistungselektronik führen hohe elektrische Ströme. Zusammen mit Schaltverlusten sind die daraus resultierenden Leitverluste ursächlich für eine hohe Verlustwärmeleistung, welche auf einer sehr kleinen Fläche abgeführt werden muss. Die maximal zulässige Halbleitertemperatur ist dabei versagenskritisch, weshalb eine Minimierung des thermischen Widerstands zwischen Halbleiter und Kühlmittel von zentraler Bedeutung ist. Zur effizienten Kühlung werden die Leistungssubstrate auf einen fluiddurchströmbaren Kühler appliziert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße fluiddurchströmbare Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls, welches ein Leistungssubstrat umfasst, weist die Vorteile eines flexiblen Designs des Kühlers und einer guten Kühlleistung auf. Dies wird durch einen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls mit einem Leistungssubstrat erreicht, welcher ein erstes Metallteil, ein zweites Metallteil und eine Kühlstruktur umfasst. Das erste Metallteil und das zweite Metallteil sind mittels eines Lötvorgangs miteinander verbunden. Mit anderen Worten sind das erste Metallteil und das zweite Metallteil mitverlötet. Das erste Metallteil und das zweite Metallteil definieren einen Kühlkanal, der von einem Fluid durchströmbar ist und in dem die Kühlstruktur angeordnet ist. Das erste Metallteil weist einen Aufnahmebereich auf, an/auf dem das Leistungsmodul befestigbar ist. Das erste Metallteil ist aus einem Metallmaterial ausgebildet, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als ein Ausdehnungskoeffizient des Leistungssubstrates ist, sodass eine wärmebedingte Ausdehnung des ersten Metallteils reduziert wird. Vor dem Lötvorgang kann das erste Metallteil in vorteilhafter Weise ein mit einer Lotschicht vorplattiertes, insbesondere walzplattiertes, Metallteil sein. Entsprechend kann das zweite Metallteil vor dem Lötvorgang in vorteilhafter Weise ein mit einer Lotschicht vorplattiertes, insbesondere walzplattiertes, Metallteil sein. Es ist auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich zur vorplattierten Ausgestaltung des ersten Metallteils und/oder des zweiten Metallteils die Verbindung zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil mittels mindestens einer Hartlotfolie oder Hartlotpaste erfolgt. Insbesondere können die oben erwähnten Ausdehnungskoeffizienten Längenausdehnungskoeffizienten sein. Das Leistungssubstrat umfasst vorzugsweise eine Trägerplatte und mindestens eine Leiterbahn. Der Ausdehnungskoeffizient des ersten Metallteils kann beispielsweise mindestens doppelt, insbesondere mindestens dreifach, so hoch, wie der Ausdehnungskoeffizient des Leistungssubstrates.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Das Leistungssubstrat und das erste Metallteil haben vorzugsweise unterschiedliche Streckgrenzen. Die Streckgrenze ist eine Werkstoffkenngröße und bezeichnet diejenige mechanische Spannung, bis zu der ein Werkstoff elastisch verformbar ist.
  • Das Metallmaterial kann vorzugsweise ein reines Metall oder eine Metalllegierung sein.
  • Vorzugsweise weist das Metallmaterial des ersten Metallteils nach dem Lötvorgang eine Streckgrenze, die größer als 30 N/mm2 ist, auf. Mit anderen Worten weist das Metallmaterial des ersten Metallteils in seinem gelöteten Zustand vorzugsweise eine Streckgrenze größer als 30 N/mm2 auf. Das heißt, dass das Metallmaterial des ersten Metallteils die erwähnte Streckgrenze nach seiner durch den Lötvorgang bedingten thermischen Behandlung aufweist. Somit wird sichergestellt, dass bei einer durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Metallteils und des Leistungssubstrates bewirkte Biegung des ersten Metallteils sich das erste Metallteil nur im elastischen Bereich unterhalb der Streckgrenze verformt. Bei einer Ausgangstemperatur geht das erste Metallteil wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Dadurch kann eine plastische Verformung, insbesondere Verbiegung, des ersten Metallteils, insbesondere im Bereich des Leistungssubstrates, die anderenfalls bei Erwärmung/Abkühlung aufgrund der stärkeren Ausdehnung/Schrumpfung des ersten Metallteils als das Leistungssubstrat auftreten könnte und bei zyklischen Lasten stetig zunehmen würde, verhindert werden.
  • Insbesondere kann das Metallmaterial eine obere Streckgrenze und eine untere Streckgrenze aufweisen, wobei in diesem Fall die Streckgrenze, die größer als 30 N/mm2 ist, der oberen Streckgrenze entspricht.
  • In vorteilhafter Weise kann eine plastische Verformung des ersten Metallteils, dessen Metallmaterial eine Streckgrenze von größer als 30 N/mm2 aufweist, bei einer Wärmestromdichte von kleiner als 600000 W/m2 und/oder einem Temperaturunterschied zwischen einer Ausgangstemperatur und einer Endtemperatur vermieden werden, der mindestens 120°C beträgt.
  • Das Metallmaterial des ersten Metallteils weist einen Wärmeleitkoeffizienten auf, der größer als 190 W/(m*K), bevorzugt größer als 200 W/(m*K), beträgt. Somit kann Wärme, die durch das Leistungsmodul erzeugt wird, effizient vom ersten Metallteil auf das den Kühlkanal durchströmende Fluid übertragen werden.
  • Das erste Metallteil und das zweite Metallteil sind vorzugsweise mittels eines Hartlötvorgangs miteinander verbunden. Das heißt, dass sich zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil vorzugsweise eine Verbindungshartlotschicht befindet. Das heißt, dass das erste Metallteil und das zweite Metallteil vorzugsweise hartlötbar sind.
  • In vorteilhafter Weise kann die Kühlstruktur das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil kontaktieren. Insbesondere kann die Kühlstruktur mit dem ersten Metallteil und/oder dem zweiten Metallteil, in vorteilhafter Weise mittels eines Hartlötvorgangs, verbunden sein. Die Verbindungshartlotschicht, die das erste Metallteil und das zweite Metallteil miteinander verbindet, kann vorzugsweise auch die Kühlstruktur mit dem ersten Metallteil und/oder dem zweiten Metallteil verbinden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Metallmaterial des ersten Metallteils Magnesium (d.h., das Metallmaterial ist eine Metalllegierung), wobei das zweite Metallteil aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, welches kein Magnesium umfasst. Hierbei kann das zweite Metallteil ein reines Metallteil oder eine Metalllegierung sein. Ein Massenprozentanteil von Magnesium an der Masse des ersten Metallteils beträgt bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kleiner als 1%.
  • Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Metallmaterial des ersten Metallteils Magnesium, wobei das zweite Metallteil aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, welches Magnesium umfasst. D.h., dass sowohl das Metallmaterial des ersten Metallteils als auch das Metallmaterial des zweiten Metallteils Metalllegierungen sind und jeweils Magnesium umfassen. In vorteilhafter Weise beträgt ein Massenprozentanteil von Magnesium aus der Masse des ersten Metallteils und aus der Masse des zweiten Metallteils in Summe kleiner als 1%. Besonders bevorzugt kann der Massenprozentanteil von Magnesium jedes Metallteils aus dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil kleiner als 0,5% der Masse des entsprechenden Metallteils betragen.
  • Durch die angegebenen Massenprozentanteile kann/können das erste Metallteil/die beiden Metallteile in einfacher Weise mittels eines Hartlötvorgangs miteinander verbunden werden, wenn das erste Metallteil/die beiden Metallteile Magnesium umfassen.
  • Vorzugsweise ist das Metallmaterial des ersten Metallteils eine Aluminiumlegierung, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils nach dem Lötvorgang den Werkstoffzustand O aufweist. Mit anderen Worten weist das Metallmaterial des ersten Metallteils im gelöteten Zustand des ersten Metallteils den Werkstoffzustand O. Mit dem Werkstoffzustand O können Erzeugnisse bezeichnet werden, bei denen die für den weichgeglühten Zustand geforderten Eigenschaften durch Warmumformungsverfahren erzielt werden.
  • Die Kühlstruktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als eine oberflächenvergrößernde, strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur verstanden.
  • Die Kühlstruktur kann vorzugsweise eine Kühlrippenstruktur und/oder eine Pin-Struktur (Kühlpin-Struktur) umfassen. Es ist auch vorstellbar, dass die Kühlstruktur alternativ oder zusätzlich auch ein Kühlstrukturelement oder eine Mehrzahl von Kühlstrukturelementen aufweist, das/die eine andere Form als eine Kühlrippe oder ein Pin hat/haben. Es ist insbesondere möglich, dass die Kühlstruktur eine Mehrzahl von Kühlstrukturelementen unterschiedlicher Form aufweist. So ist zum Beispiel möglich, dass die Kühlstruktur eine Kühlrippe und einen Pin, oder eine Mehrzahl von Kühlrippen und eine Mehrzahl von Pins aufweist. Eine Kühlrippe und ein Pin können im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils insbesondere als Kühlstrukturelement bezeichnet werden.
  • Die Kühlrippenstruktur kann vorzugsweise (nur) eine Kühlrippe oder eine Mehrzahl von Kühlrippen umfassen, die vorzugsweise in einer Durchströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Durchströmungsrichtung entspricht insbesondere einer Hauptströmungsrichtung des als Kühlmittel verwendeten Fluides, das durch Durchgangsöffnungen, die durch die Kühlrippe(n) gebildet sind, strömt. Dabei ist die Hauptströmungsrichtung insbesondere die Richtung, in der das Fluid hauptsächlich strömt, d.h. die Richtung, in der eine Geschwindigkeitskomponente des Fluides größer als eine Geschwindigkeitskomponente des Fluides in einer zur Hauptströmungsrichtung senkrechten Richtung ist. Die Hauptströmungsrichtung entspricht vorzugsweise einer Einführungsrichtung des Fluides in den fluiddurchströmbaren Kühler.
  • Die Kühlrippenstruktur kann insbesondere auch als Turbulator bezeichnet werden. Vorzugsweise ist eine Kühlrippe aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden Wellenprofil gebildet.
  • Die Kühlstruktur ist vorzugsweise zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Material ausgebildet und/oder mit einem Material beschichtet, welches einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist, der größer als 200 W/(m·K) ist. In vorteilhafter Weise kann die Kühlstruktur zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Aluminium ausgebildet oder mit Aluminium beschichtet sein.
  • Insbesondere betreffen diese Ausgestaltungen den/die Kühlstrukturelemente der Kühlstruktur.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Fluid, welches durch den Kühler strömbar ist, insbesondere auch als Kühlfluid bezeichnet werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Leistungselektronik-Anordnung, die ein Leistungsmodul mit einem Leistungssubstrat, und einen zuvor beschriebenen fluiddurchströmbaren Kühler umfasst. Das Leistungsmodul ist an/auf dem Aufnahmebereich des ersten Metallteils des fluiddurchströmbaren Kühlers mittels des Leistungssubstrates befestigt.
  • Das Leistungssubstrat kann vorzugsweise aus Kupfer und/oder Keramik (AMB/DBC-Leistungssubstrat; AMB: active metal braze; DBC: direct copper bonding) ausgebildet sein.
  • Zum Zweck eines geringen Wärmewiderstands zwischen dem Leistungssubstrat und dem Kühler, insbesondere dem ersten Metallteil, kann das Leistungssubstrat vorzugsweise mittels eines Weichlötprozesses, wahlweise auch eines Sinterprozesses auf den Kühler, insbesondere das erste Metallteil, gefügt werden. Das heißt, dass das Leistungsmodul vorzugsweise mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht, die somit entsprechend eine Weichlotschicht oder Sinterschicht ist, auf den fluiddurchströmbaren Kühler bzw. das erste Metallteil gefügt.
  • Das Leistungsmodul umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Leistungshalbleiter. Ein Leistungshalbleiter erzeugt Wärme während des Betriebs des Leistungsmoduls, die durch den Kühler abgeführt werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungsanordnung mit einem fluiddurchströmbaren Kühler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine erfindungsgemäße Leistungselektronik-Anordnung 1000 mit einem Leistungsmodul (Leistungselektronik-Baueinheit) 200 und einem fluiddurchströmbaren Kühler 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es ist auch möglich, dass die Leistungselektronik-Anordnung 1000 eine Mehrzahl von Leistungsmodulen 200 umfasst.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das Leistungsmodul 200 eine Trägerplatte 204, Leiterbahnen 203, 205 und Leistungshalbleiter 201 auf. Die Leiterbahnen 203, 205 sind insbesondere als Kupferleiterbahnen ausgebildet, wobei die Trägerplatte 204 vorzugsweise aus Keramik ausgebildet ist.
  • Die Leistungshalbleiter 201 sind mittels einer Schicht 202 auf die Leiterbahn 203 aufgebracht. Dabei ist die Schicht 202 insbesondere als Lot- oder Sinterschicht ausgebildet.
  • Die Leiterbahnen 203, 205 zusammen mit der Trägerplatte 204 bilden ein Leistungssubstrat 208. Das Leistungssubstrat 208 und somit das Leistungsmodul 200 ist mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht 206, die somit entsprechend eine Weichlotschicht oder Sinterschicht ist, auf den fluiddurchströmbaren Kühler 100, insbesondere auf einen Aufnahmebereich 109 des ersten Metallteil 101 des Kühlers 100 gefügt.
  • Der fluiddurchströmbare Kühler 100 umfasst ferner ein zweites Metallteil 102, welches mit dem ersten Metallteil 101 mittels eines Lötvorgangs verbunden ist. Mit anderen Worten sind das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102 mitverlötet. Insbesondere ist der Lötvorgang ein Hartlötvorgang, so dass das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102 mittels einer Verbindungshartlotschicht 103 verbunden sind. Insbesondere sind beide Metallteile 101, 102 als Bleche ausgebildet.
  • Aus 1 erkennt man ferner, dass das erste Metallteil 101 ein Oberteil und das zweite Metallteil 102 ein Unterteil des Gehäuses 110 ist. Das erste Metallteil 101 ist dem Leistungsmodul 200 zugewandt, wobei das zweite Metallteil 102 dem Leistungsmodul 200 abgewandt ist. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel das erste Metallteil 101 plattenförmig ausgebildet, wobei das zweite Metallteil 102 einen plattenförmigen Bereich und einen im Querschnitt trapezförmigen Bereich aufweist. Es ist aber auch möglich, dass das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102 andere Formen aufweisen. Das zweite Metallteil 102 kann in vorteilhafter Weise durch einen Tiefziehprozess hergestellt werden.
  • Zwischen der Schicht 206 und dem Kühler 100, insbesondere zwischen der Schicht 206 und dem ersten Metallteil 101, befindet sich in vorteilhafter Weise eine Vermittlungsschicht 107, welche fest mit dem ersten Metallteil 101 verbunden ist und eine Benetzung der Schicht 206 erlaubt. Die Vermittlungsschicht 107 ist ein optionales Merkmal der Leistungselektronik-Anordnung 1000 und kann insbesondere entweder als separates Teil oder als Teil des Kühlers 100 betrachtet werden.
  • Durch das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102, die im zusammengefügten Zustand ein Gehäuse 110 des Kühlers 100 bilden, ist ein Innenraum definiert, welcher als Kühlkanal 111 des Kühlers 100 dient. Mit anderen Worten definieren die miteinander verbundenen Metallteile 101, 102 den Kühlkanal 111 des Kühlers 100. Der Kühlkanal 111 ist in vorteilhafter Weise geschlossen, wobei am Gehäuse des Kühlers 100 ein Einlass und ein Auslass für das Fluid angeordnet sind.
  • Im Kühlkanal 111 ist eine Kühlstruktur 1 angeordnet, die als oberflächenvergrößernde, für ein als Kühlmittel verwendete Fluid strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur dient. Die Kühlstruktur 1 ist mittels der Verbindungshartlotschicht 103 mit dem ersten Metallteil 101 und dem zweiten Metallteil 102 verbunden.
  • Insbesondere umfasst bzw. ist die Kühlstruktur 1 eine Kühlrippenstruktur. Dazu weist die Kühlrippenstruktur eine Kühlrippe 10 auf, die sich in Richtung der Länge der Kühlkanals 111 bzw. einer Durchströmungsrichtung 500 des Fluides erstreckt. In diesem Fall entspricht somit die Kühlstruktur 1 der Kühlrippe 10. Die Durchströmungsrichtung 500 entspricht insbesondere einer Hauptströmungsrichtung des als Kühlmittel verwendeten Fluides.
  • Wie sich außerdem aus 1 ergibt, ist die Kühlrippe 10 aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung 501 periodisch wiederholenden Wellenprofil gebildet. Durch die Kühlrippe 10 sind Durchgangsöffnungen 14 gebildet, durch die das Fluid durchströmen kann. Die Kühlrippe 10 ist vorzugsweise aus einem Material ausgebildet und/oder mit einem Material beschichtet, welches einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist, der größer als 200 W/(m·K) ist. In vorteilhafter Weise kann die Kühlrippe 10 aus Aluminium hergestellt oder mit Aluminium beschichtet sein. Es ist auch möglich, dass andere wärmleitfähigen Materialien für die Kühlrippe 10 und/oder deren Schicht benutzt werden.
  • Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel die Kühlrippenstruktur nur eine Kühlrippe 10 aufweist, ist auch möglich, dass die Kühlrippenstruktur eine Mehrzahl von Kühlrippen 10 aufweist, die insbesondere in der Durchströmungsrichtung 500 des Fluides hintereinander angeordnet sind.
  • Das erste Metallteil 101 ist aus einem Metallmaterial ausgebildet, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als ein Ausdehnungskoeffizient des Leistungssubstrates 200 ist, sodass eine wärmebedingte Ausdehnung des ersten Metallteils 101 reduziert wird. Das Metallmaterial des ersten Metallteils 101 ist eine Metalllegierung, vorzugsweise eine Aluminiumlegierung. Es ist aber auch möglich, dass ein reines Metall als das Metallmaterial des ersten Metallteils 101 benutzt wird.
  • Durch die Befestigung des Leistungssubstrates 208 am/auf dem Aufnahmebereich 109 des ersten Metallteils 101 wird bei thermischer Ausdehnung/Schrumpfung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Bauteile die Ausdehnung/Schrumpfung des ersten Metallteils 101 gehemmt, wodurch sich das erste Metallteil 101 und somit der Kühler 100 biegt.
  • Um eine plastische Deformation durch die Biegung zu verhindern, ist insbesondere eine höherfeste Metalllegierung, vorzugsweise eine höherfeste Aluminiumlegierung, für das Metallmaterial des ersten Metallteils 101 eingesetzt, so dass sich das erste Metallteil 101 bei der wärmebedingten Biegung nur im elastischen Bereich unterhalb der Streckgrenze der Metalllegierung verformt. Wenn das erste Metalleiteil 101 keine Ausdehnung/Schrumpfung mehr erfährt, d.h. bei der Ausgangstemperatur, geht das erste Metallteil 101 wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die Streckgrenze der Metalllegierung für das Metallmaterial des ersten Metallteils 101 ist hierbei größer als 30N/mm2. Es sei angemerkt, dass die Streckgrenze der Metalllegierung diejenige Streckgrenze ist, die die Metalllegierung nach dem Lötvorgang, d.h. nach der durch den Lötvorgang stattgefundenen Wärmebehandlung des ersten Metallteils 101, aufweist. In vorteilhafter Weise ist das erste Metallteil 101 aufgrund der Streckgrenze der Metalllegierung eingerichtet, sich nur im elastischen Bereich bei einer Wärmestromdichte von kleiner als 600000 W/m2 und/oder einem Temperaturunterschied zwischen einer Ausgangstemperatur und einer Endtemperatur zu verformen, der mindestens 120°C beträgt
  • Wenn die Metalllegierung des ersten Metallteils 101 eine Aluminiumlegierung ist, weist diese nach dem Lötvorgang in vorteilhafter Weise den Werkstoffzustand O auf. Mit anderen Worten weist die Aluminiumlegierung des ersten Metallteils 101 im gelöteten Zustand des ersten Metallteils 101 in vorteilhafter Weise den Werkstoffzustand O.
  • Das Leistungssubstrat 208 und das erste Metallteil 101 haben vorzugsweise unterschiedliche Streckgrenzen.
  • Die Metalllegierung des ersten Metallteils 101 weist einen Wärmeleitkoeffizienten auf, der größer als 190 W/(m*K), bevorzugt größer als 200 W/(m*K), beträgt. Somit kann Wärme, die durch das Leistungsmodul 200 erzeugt wird, effizient vom ersten Metallteil 101 auf das den Kühlkanal 111 durchströmende Fluid übertragen und von diesem abgeführt werden, so dass das Leistungsmodul 200 gekühlt wird.
  • Das zweite Metallteil 102 ist in vorteilhafter Weise auch aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Hierbei können beide Metallteile 101, 102 Magnesium umfassen. Um die beiden Metallteile 101, 102 mittels eines Hartlotvorgangs miteinander verbinden zu können, beträgt ein Massenprozentanteil von Magnesium aus der Masse des ersten Metallteils 101 und aus der Masse des zweiten Metallteils 102 in Summe kleiner als 1%. Insbesondere kann der Massenprozentanteil von Magnesium des ersten Metallteils 101 kleiner als 0,5% der Masse des ersten Metallteils 101 betragen, wobei der Massenprozentanteil von Magnesium des zweiten Metallteils kleiner als 0,5% der Masse des zweiten Metallteils 102 betragen kann.
  • Zum Herstellen des fluiddurchströmbaren Kühlers 100 können vorzugsweise das erste Metallteil 101, das zweite Metallteil 102 und die Kühlstruktur 1 im selben Fertigungsschritt mittels eines Hartlötvorgangs zusammengefügt werden.

Claims (10)

  1. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) zum Kühlen eines Leistungsmoduls (200), welches ein Leistungssubstrat (208) umfasst, wobei der fluiddurchströmbare Kühler (101): • ein erstes Metallteil (101); • ein zweites Metallteil (102), wobei das erste Metallteil (101) und das zweite Metallteil (102) mittels eines Lötvorgangs miteinander verbunden sind, und einen Kühlkanal (111) definieren, der von einem Fluid durchströmbar ist; und • eine Kühlstruktur (1), die im Kühlkanal (111) angeordnet ist, wobei das erste Metallteil (101) einen Aufnahmebereich (109) aufweist, an dem das Leistungsmodul (208) befestigbar ist, und wobei das erste Metallteil (101) aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, welches einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als ein Ausdehnungskoeffizient des Leistungssubstrates (208) ist.
  2. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach Anspruch 1, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) nach dem Lötvorgang eine Streckgrenze größer als 30 N/mm2 aufweist.
  3. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) einen Wärmeleitkoeffizienten größer als 190 W/(m*K), bevorzugt größer als 200 W/(m*K), beträgt.
  4. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Metallteil (101) und das zweite Metallteil (102) mittels eines Hartlötvorgangs miteinander verbunden sind.
  5. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) Magnesium umfasst, und das zweite Metallteil aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, welches kein Magnesium umfasst, wobei ein Massenprozentanteil von Magnesium an der Masse des ersten Metallteils (101) kleiner als 1% beträgt, oder wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) Magnesium umfasst, und das zweite Metallteil aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, welches Magnesium umfasst, wobei ein Massenprozentanteil von Magnesium aus der Masse des ersten Metallteils (101) und aus der Masse des zweiten Metallteils (102) in Summe kleiner als 1% beträgt.
  6. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) eine Aluminiumlegierung ist, die nach dem Lötvorgang den Werkstoffzustand O aufweist.
  7. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) eine Metalllegierung ist.
  8. Fluiddurchströmbarer Kühler (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metallmaterial des ersten Metallteils (101) ein reines Metall ist.
  9. Leistungselektronik-Anordnung (1000), umfassend ein Leistungsmodul (200) mit einem Leistungssubstrat (208), und einen fluiddurchströmbaren Kühler (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Leistungsmodul (200) an dem Aufnahmebereich (109) des ersten Metallteils (101) des fluiddurchströmbaren Kühlers (100) mittels des Leistungssubstrates (208) befestigt ist.
  10. Leistungselektronik-Anordnung (1000) nach Anspruch 9, wobei das Leistungssubstrat (100) aus Kupfer und/oder Keramik ausgebildet ist.
DE102022209698.3A 2022-09-15 2022-09-15 Fluiddurchströmbarer Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls Pending DE102022209698A1 (de)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170246840A1 (en) 2011-08-09 2017-08-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Clad material for cooler, cooler for heat-generating device, and method of producing cooler for heat-generating device
WO2021256083A1 (ja) 2020-06-17 2021-12-23 富士電機株式会社 冷却装置および半導体モジュール

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7755185B2 (en) * 2006-09-29 2010-07-13 Infineon Technologies Ag Arrangement for cooling a power semiconductor module
JP2009246259A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Toyota Industries Corp 冷却器
JP5987418B2 (ja) * 2012-03-30 2016-09-07 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
CN205752150U (zh) * 2013-08-28 2016-11-30 三菱电机株式会社 半导体装置
CN105051892B (zh) * 2013-09-05 2018-06-15 富士电机株式会社 电力用半导体模块
US11614289B2 (en) * 2020-01-21 2023-03-28 Dana Canada Corporation Aluminum heat exchanger with solderable outer surface layer
CN113809032A (zh) * 2021-08-09 2021-12-17 华为技术有限公司 一种功率模块、电源电路及芯片

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170246840A1 (en) 2011-08-09 2017-08-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Clad material for cooler, cooler for heat-generating device, and method of producing cooler for heat-generating device
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