DE102022212253A1 - Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung, wobei ein Gehäuse (1) mit oder zur Aufnahme von Kühlrippen oder Kühlstrukturen (2) hergestellt wird, dass mindestens einen Einlass (3) und mindestens einen Auslass (3) aufweist, wobei der Deckel (1b) des Gehäuses zumindest zum Teil aus der Trägerplatte der Leitungselektronik besteht und mit dem vorbereiteten Gehäuse (1) dichtend und mit den Kühlrippen oder Kühlstrukturen, zumindest lose, thermisch verbunden wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung.
- Stand der Technik
- Alle elektronischen Komponenten geben während des Betriebs Wärme nach außen ab, wenn das Produkt mit Strom versorgt wird (z. B. Leistungsmodule). Wenn die elektronischen Komponenten lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind, kann dies zum Ende ihrer Lebensdauer führen. Zu diesem Zweck werden einzelne Komponenten oder Systeme mit einem Kühlkanal versehen, um die Temperatur der elektronischen Komponenten zu senken und zu halten, was wiederum ihre Lebensdauer erhöht. Daher werden unterschiedliche Arten von Technologie eingesetzt, um den Kühlkanal an der elektronischen Komponente zu befestigen oder zu verbinden.
- Aus der
DE 10 2014 106 127 A1 ist ein Leistungsmodul mit einem Kühlgehäuse bekannt, das wenigstens den Halbleiterchip, ein erstes Bondsubstrat, ein zweites Bondsubstrat, eine erste Kühlstruktur und eine zweite Kühlstruktur umschließt. Das Kühlgehäuse hat eine Kühlfluidzufuhr - wie eine fluidische Schnittstelle zum Zuführen des Kühlfluids - zu der ersten Kühlstruktur und der zweiten Kühlstruktur, und eine Kühlfluidabfuhr nach dem Wärmeaustausch mit der ersten Kühlstruktur und der zweiten Kühlstruktur. Zwischen dem Kühlgehäuse und einer Formmasse oder Einkapselungsstruktur des Leistungsmoduls ist ein leerer Raum gebildet, durch den das Kühlfluid gepumpt wird.
Dabei ist wenigstens einer von der ersten zweidimensionalen Anordnung von Kühlschleifen und der zweiten zweidimensionalen Anordnung von Kühlschleifen als Satz paralleler Leitungen von Kühlschleifen ausgelegt, wobei Kühlschleifen unterschiedlicher Leitungen relativ zueinander versetzt sind. Daher passiert, in der Flussrichtung des Kühlfluids, das Kühlfluid räumlich fehlausgerichtete Kühlschleifen, was Turbulenzen hervorruft. Der Stand der Technik zeigt, dass ein hohles Kühlgehäuse über den Halbleiterchips, den Bondsubstraten, den Kühlschleifen und der Formstruktur montiert wurde. Das Kühlgehäuse weist Kühlflüssigkeitszufuhren auf, die angeschlossen werden können, um Schläuche zu versorgen, so dass Kühlwasser dem leeren Raum zugeführt werden kann, um einen turbulenten Wärmeaustausch mit den Kühlschleifen zu fördern. Nach diesem Wärmeaustausch wird das Kühlwasser aus dem leeren Raum über Kühlflüssigkeitsabfuhren und verbundene Abfuhrschläuche abgeführt. - Herkömmliche Methoden des Befestigungsprozesses haben Nachteile durch die: separate Konstruktion und Integration von Kühlkörper und Wassermantel. Dadurch, dass Kühlrippen bereits am Substrat angebracht werden sind die elektronischen Komponenten höheren thermischen Einflüssen ausgesetzt.
-
US 11 102 911 B - Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung vorzustellen.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung, wobei ein Gehäuse zur Aufnahme von Kühlrippen oder Kühlstrukturen oder mit Kühlrippen und Kühlstrukturen hergestellt wird, das mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweist, wobei der Deckel des Gehäuses mindestens teilweise aus der Trägerplatte der Leitungselektronik besteht und mit dem vorbereiteten Gehäuse zur Kühlung dichtend verbunden wird.
- In der vorgeschlagenen Lösung ist nur ein Fügeverfahren erforderlich. Die Montage des Wassermantels und des Kühlkörpers an die Leistungselektronik erfolgt in einem Schritt und führt zu einer geringeren thermischen Belastung der elektronischen Komponenten.
- Die Leistungselektronik wird in einer Ausführungsform komplett montiert mit der Trägerplatte auf dem Gehäuse als Deckel montiert. Die Verbindung von Leistungselektronik zum Gehäuse muss in erster Linie dicht für das Kühlmedium sein und kann in zweiter Linie eine zusätzliche thermische Anbindung darstellen.
- Die Leistungselektronik wird in einer Ausführungsform nach der Montage der Trägerplatte auf dem Gehäuse als Deckel aufgebracht und fertiggestellt.
- Die Verbindung erfolgt über Löten, Schweißen oder Kleben.
- Das Gehäuse und die Kühlrippen werden aus einem Blech ein- oder mehrteilig hergestellt.
- Das Gehäuse und die Kühlrippen werden alternativ aus einem Kunststoffmaterial einteilig oder mehrteilig hergestellt.
- Die Verbindung von Leistungselektronik zur Kühlstruktur bzw. den Kühlrippen muss in erster Linie eine thermische Anbindung darstellen.
- Beschreibung der Figuren
-
-
1 zeigt ein Gehäuse mit Kühlrippenstruktur, -
2 zeigt den Gehäusedeckel, -
3 zeigt den Boden des Gehäuses, -
4 zeigt einen ersten Ablauf eines Herstellungsprozesses, -
5 zeigt einen zweiten Ablauf eines Herstellungsprozesses. - In
1 ist ein beispielhaftes Gehäuse 1 dargestellt, das einen geschlossenen Quader mit Seitenwänden 1a und Boden 1c ohne Deckel darstellt. Im Gehäuse sind Kühlrippen 2 vorhanden. Das Gehäuse ist aus einem Kunststoff oder aus Blech hergestellt, wobei die Kühlrippen in einem Herstellungsschritt mit dem Gehäuse oder separat hergestellt werden können. Die Form und die Anzahl der Kühlrippen ist dabei beliebig und an die Kühlaufgabe angepasst.
Die Herstellung kann mit 3D-Druck erfolgen. - In
3 ist eine Bodenlösung dargestellt, die einen Einlass 3 und einen Auslass 4 an diagonal zueinander liegenden Ecken der Grundplatte 1c aufweist. Auch hier sind alternative Lösungen, wie der Einbau von Einlass 3 und Auslass 4 an einer der Seitenflächen 1a oder an einer anderen Position der Grundfläche 1c möglich.
Der Deckel 1b der2 ist dann bereits eine Trägerplatte der Halbleiterbauteile, das das Gehäuse 1 verschließt. Die Leistungselektronikmodule können auch nur einen Teil des Deckels 1b bilden und müssen nicht den gesamten Deckel 1b bilden. - Als leistungselektronisches Bauteil wird ein Halbbrücken-Leistungsmodul betrachtet. Der wesentliche Aufbau eines Leistungsmodul ist bekannt. Es besteht aus Halbleiterchips mit dicht gepackten Leistungstransistoren wie MOSFETs oder IG-BTs, Kupferleiterbahnen und der mechanische Trägerplatte. Die Kupferleitbahnen dienen nicht nur der elektrischen Leitung, sondern auch der thermischen Führung von Verlustwärme. Die Trägerplatte des Moduls soll den Schaltkreis nach innen und außen isolieren, die Verlustleistung in Form von Wärme abführen sowie für die mechanische Stabilität des Moduls garantieren. Die Kupferleitbahnen werden momentan mittels zweier Verfahren auf der Trägerkeramik fixiert: Bei Siliziumnitrid geschieht dies mittels Active Metal Brazing, AMB, bei dem das Kupfer in einem Hartlötverfahren bei rund 800 °C mit dem Träger verbunden wird. Bei den Verbindungen mit Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid wird dagegen das DBC-Verfahren Direct Bonded Copper angewendet. Hier wird das Kupfer zunächst oxidiert und anschließend bei rund 1065 °C in einem eutektischen Prozess mit dem Oxid des Trägermaterials verbunden. Die Leistungshalbleiter werden auf die Kupferbahnen gelötet.
- Für die Trägerplatte stehen beispielsweise die folgenden keramischen Substrate zur Auswahl: Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid dotiertes Aluminiumoxid (ZTA = Zirconia Toughened Aluminium), Aluminiumnitrid (AIN) sowie Siliziumnitrid (Si3N4). Abgesehen von den Kosten unterscheiden sie sich auch in ihren physikalischen Eigenschaften, insbesondere was Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung sowie mechanische Festigkeit angeht.
- Der gesamte aktive Kühlkanal mit dem Gehäuse 1 mit integriertem Kühlrippen 2 kann an die Trägerplatte der Hochleitungselektronik geschweißt, gelötet, gesintert oder geklebt werden, um eine dichte Abdichtung zu gewährleisten und sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit an der Verbindungsstelle austritt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren nach
4 verbindet das Gehäuse 1 und die Leistungselektronik und verläuft in den folgenden Schritten: - Im Schritt 10 wird das Kühlgehäuse hergestellt, wobei zunächst nur die Gehäusewände 1a und der Gehäuseboden 1c vorliegt. Das im Schritt 20 vorliegende Produkt ist nach oben geöffnet und weist keinen oder nur teilweise einen Deckel auf.
- Im Schritt 30 wird die Kühlrippenstruktur 2 eingesetzt und mit dem Gehäuseboden 1c und/der den Gehäusewänden 1a verbunden, wenn es notwendig ist.
- Im Schritt 40 werden der Einlass 3 und der Auslass 4 an geeigneter Stelle installiert.
- Im Schritt 50 wird die vollständig montierte und abgeschlossenen Leistungselektronik bzw. einzelne Leistungselektroniken bereitgestellt. Im Schritt 60 wird dann die Leistungselektronik mit dem vorbereiteten Gehäuse 1 angeordnet und im Schritt 70 miteinander durch Löten oder Schweißen oder Kleben oder einer anderen Verbindungstechnologie verbunden. Das fertige Bauteil 80 kann dann entnommen werden.
- In der
5 wird ein alternatives Herstellungsverfahren beschrieben. In Schritt 100 wird die Trägerplatte der Leistungselektronik bereitgestellt und im Schritt 110 mit dem vorbereiteten Gehäuse 1 verbunden. Anschließend werden alle elektronischen Bauteile in Schritt 120 aufgebracht und elektrisch und/oder mechanisch verbunden. - Ein Prozessschritt 130 folgt, in dem die Komponenten mit einem Kunststoffmaterial überspritzt werden.
- Im Schritt 140 wird die Leistungselektronik mit Kühlung als fertiges Bauteil 80 entnommen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014106127 A1 [0003]
- US 11102911 B [0005]
Claims (6)
- Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit aus Leistungselektronik und Kühlung, wobei ein Gehäuse (1) mit Kühlrippen oder Kühlstrukturen (2) oder zur Aufnahme von Kühlrippen oder Kühlstrukturen (2) hergestellt wird, dass mindestens einen Einlass (3) und mindestens einen Auslass (3) aufweist, wobei der Deckel (1b) des Gehäuses zumindest zum Teil aus der Trägerplatte der Leitungselektronik besteht und mit dem vorbereiteten Gehäuse (1) dichtend und mit den Kühlrippen oder Kühlstrukturen, zumindest lose, thermisch verbunden wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei die Leistungselektronik komplett montiert mit der Trägerplatte auf dem Gehäuse als Deckel (1b) montiert wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei die Leistungselektronik nach der Montage der Trägerplatte auf dem Gehäuse als Deckel aufgebracht und fertiggestellt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei die Verbindung über Löten, Schweißen oder Kleben oder einer anderen Verbindungstechnologie (z.B. Sintern) erfolgt. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei das Gehäuse und die Kühlrippen aus einem Blech ein- oder mehrteilig hergestellt werden. - Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei das Gehäuse und die Kühlrippen aus einem Kunststoffmaterial einteilig oder mehrteilig hergestellt werden.
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2022
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