EP3542397A1 - Elektronikmodul und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Elektronikmodul und verfahren zum herstellen desselben

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Publication number
EP3542397A1
EP3542397A1 EP17787918.6A EP17787918A EP3542397A1 EP 3542397 A1 EP3542397 A1 EP 3542397A1 EP 17787918 A EP17787918 A EP 17787918A EP 3542397 A1 EP3542397 A1 EP 3542397A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electronic module
sintered
laser
heat sink
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17787918.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Hermann Hahn
Thomas Preuschl
Roland Friedl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP3542397A1 publication Critical patent/EP3542397A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/47—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing liquids, e.g. forced water cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/22—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections

Definitions

  • the present invention relates to an electronic module and a method for manufacturing an electronic module.
  • a heat transfer between an interface and a fluid is limited in a laminar flow by a small vertical mixing of the fluid in the vertical direction.
  • the heat transfer can be improved if the fluid flows past with a turbulent flow at the interface.
  • the present invention provides an improved electronic module and method for manufacturing an electronic module according to the main claims.
  • Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.
  • At least one power semiconductor which is thermally conductively connected to an integrally laser-sintered heat sink; and a swirling body movably sintered in a laser-sintered cooling passage of the heat sink and sintered in a process with the heat sink.
  • Power semiconductors are temperature-critical, since the resulting power loss can lead to such high temperatures without cooling, that the semiconductor material of the power semiconductor can be irreversibly damaged. Therefore, the best possible cooling of the power semiconductor is required.
  • a good heat-conducting compound can be achieved for example by a thermal adhesive.
  • Laser sintering can be understood here as additive manufacturing. By selective laser sintering almost any, flow-optimized and heat-resistance-optimized heat sink can be produced. In laser sintering, individual particles become one heated powder material present by means of a laser beam until the particles connect to each other at the atomic level. Components are built up in layers. Sintering may occur at temperatures below the melting point of the material. The material can also be heated until the particles are molten.
  • the manufacturing method may be referred to as selective laser melting.
  • bodies with integrated cavities can be produced.
  • the unsintered powder from a cavity is removed after the sintering process.
  • the at least one cooling channel may have been produced as such a cavity.
  • the heat sink may be laser sintered from a metal material.
  • the power semiconductor may be soldered to the heat sink. A particularly good cooling can be achieved by reducing heat transfer resistance.
  • the power semiconductor can be soldered, for example, to a heat sink made of a material with a low thermal resistance.
  • the material may be, for example, copper or aluminum.
  • the power semiconductor may be an IGBT. High power can be switched via an IGBT.
  • the IGBT can be particularly sensitive to heat.
  • a laser-sintered shaft of the swirling body may be rotatably supported in the cooling passage.
  • the swirl body may be rotatably mounted on a laser sintered axis disposed in the cooling passage.
  • Bearing points can be shaped in three dimensions.
  • the swirl body may be perforated. By punching additional turbulence of the cooling medium can be generated.
  • the holes can be omitted during laser sintering.
  • the swirl body may be irregular in shape.
  • a rotatable swirler may have an irregular pitch.
  • the irregular shape makes it possible to prevent noise.
  • the swirl body may be formed propeller-shaped. Alternatively, the swirl body may be paddled.
  • a propeller can be excited by the flow of the cooling medium to a rotation.
  • the propeller blades generate turbulence in the cooling medium, which can tilt a laminar flow into a turbulent flow.
  • a paddled vortex body can be excited by the flow of the cooling medium to oscillate, which can also create turbulence in the cooling medium, which can also tilt the laminar flow into a turbulent flow.
  • the swirl body may be laser sintered from a plastic material.
  • the swirl body may be made of less good heat conducting material, since the swirl body is not directly involved in the heat transfer.
  • the electronic module may have at least one further arranged in the cooling channel, movably in a process with the heat sink sintered body. By a plurality of successively arranged in the cooling medium swirling body, the flow can be kept turbulent over a longer distance.
  • Fig. 1 is an illustration of a conventional electronic module
  • FIG. 2 shows an illustration of an electronic module with a pin-fin structure
  • FIG 3 is an illustration of an electronic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an illustration of a propeller-shaped swirling body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an illustration of a paddle-shaped swirling body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method of manufacturing an electronic module according to an embodiment of the present invention.
  • the electronic module 100 has a power semiconductor 102 and a bottom plate 104. On a side of the bottom plate 104 opposite the power semiconductor 102, a cooling channel 106 for a cooling medium 108 is formed. The bottom plate 104 forms one side of the cooling channel 106. The cooling medium 108 flows through the cooling passage 106.
  • the bottom plate 104 is made of a thermally conductive material, such as copper.
  • the power semiconductor 102 is soldered to the bottom plate 104 and thus connected in heat-conducting.
  • the heat 110 penetrates the bottom plate 104 and merges into the cooling medium 108 at a contact surface 112 between the bottom plate 104 and the cooling medium 108.
  • the cooling medium 108 flows with a laminar flow 114 through the cooling channel 106.
  • a flow rate of the cooling medium 108 of the center of Cooling channel 106 at the largest and decreases to the edges of the cooling channel 106 steadily.
  • a boundary layer 116 forms at a low flow rate due to the laminar flow 114.
  • the cooling medium 108 is only slightly mixed by the laminar flow 114 transversely to the flow direction. Both effects lead to the cooling medium 108 absorbing the heat 110 substantially only in the region of the boundary layer 116.
  • various types of heat exchangers 104 may be used.
  • a good heat conducting material 104 such as copper to the heat transfer surface 112.
  • This transition surface 112 is washed by a relatively cold cooling medium 108, so that there is a heat exchange.
  • water is usually used in conjunction with a suitable antifreeze, such as glycol.
  • open or multi-part cooling channels 106 can be used in order to be able to exchange the power semiconductors 102 or modules in which the power semiconductors are located and heat sinks 104 with good transition properties.
  • the power loss of the power module 102 or IGBTs 102 heats the IGBT 102, which is to deliver the heat 110 as quickly and efficiently as possible.
  • the cooling plate 104 usually consists of good heat-conducting material, for example Copper or aluminum and has direct contact with the cooling medium 108. By arrows, the flow direction is shown.
  • FIG. 1 shows a purely laminar flow 114 with a flat boundary surface 112 without structures.
  • a laminar flow 114 of the cooling medium 108 takes place at the interface 112 between the water 108 and the copper plate 104.
  • the cooling medium 108 Once the cooling medium 108 has almost reached the temperature of the copper plate 104, it can no longer absorb more heat. Coolant 108, which is located further down, here in the negative z-direction, however, can still have a lower temperature.
  • FIG. 2 shows a representation of an electronic module 100 with a pin-fin structure 200.
  • the electronic module 100 essentially corresponds to the electronic module in FIG. 1.
  • the pin-fin structure 200 is on the bottom plate 104 arranged.
  • the pin-fin structure 200 has extensions 202 of heat-conducting material, which protrude into the cooling channel 106.
  • the pin-fin structure 200 may also have its own base plate, which is thermally conductively connected to the bottom plate 104.
  • the cooling medium 108 flows around the pin-fin structure 200.
  • the contact surface 112 is enlarged by the pin-fin structure 200.
  • the heat 110 is transported in the extensions 202 of the pin-fin structure 200 in the direction of the flow center, so that the heat 110 is absorbed by a larger proportion of the cooling medium 108 and transported away.
  • the temperature decreases projections 202 with increasing distance from the bottom plate 104, so that with increasing distance from the bottom plate 104 due to the decreasing temperature gradient between the extensions 202 and the cooling medium 108 less and less heat 110 is discharged to the cooling medium 108.
  • the pin-fin structure 200 By the pin-fin structure 200, a flow resistance of the cooling channel 106 is increased. From a certain flow velocity, the flow in the area of the pin-fin structure 200 therefore becomes turbulent. Due to the turbulent flow is a Heat transfer between the contact surface 112 and the cooling medium 108 improved. However, the pin-fin structure 200 hinders the mixing of the cooling medium 108 transversely to the flow direction.
  • the heat sink 104 may have fixed structures 202 which project into the cooling medium 108 and so on the one hand to make the interface 112 sufficiently large and on the other hand to make the flow turbulent.
  • Such structures 202 may be embodied as so-called pin-fin structures 200, wherein pins 202 of copper protrude into the cooling medium 108.
  • This structure 200 is rigid and requires a two-part construction of the cooling channel 106 and heat sink 104, since this structure 200 can not otherwise be manufactured.
  • the cooling channel 106 and the heat sink 104 are sealed and sealed by means of connection technology. Either this is done with a rubber seal or, for example, by the use of welding techniques, such as friction stir welding.
  • FIG. 2 shows a laminar flow with a pin-fin structure 200 as a structure 202 protruding into the cooling medium 108.
  • static elements 202 such as copper pins 202 protruding from the copper plate 104, causes swirling of the coolant flow 108.
  • the heat 110 may continue to enter the coolant 108 through the pins 202 and the upstanding pins 202 simultaneously cause swirling of the current in the y-direction.
  • the standing in the cooling medium 108 elements 202 may also take various other geometric shapes, such as surfaces, webs or wing profiles.
  • fixed flow-influencing elements 202 are introduced into the cooling channel 106, which cause a partial turbulence.
  • FIG. 3 shows a representation of an electronic module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the electronic module 100 essentially corresponds to the electronic module in FIG. 1.
  • the power semiconductor 102 is here arranged on a laser-sintered heat sink 300 and connected to it in a heat-conducting manner.
  • the cooling channel 106 is a recess in the integrally laser-sintered heat sink 300 executed.
  • a swirling body 302 produced in the same sintering process as the heat sink 300 is arranged.
  • the laminar flow 114 strikes the swirling body 302 and sets it in motion. The movement causes the laminar flow 114 to flow into a turbulent flow 304.
  • the turbulent flow 304 minimizes the boundary layer 116 at the contact surface 112 and improves heat transfer between the contact surface 112 and the cooling medium 108.
  • the unimpeded mixing of the cooling medium 108 transversely to the flow direction continuously cooler coolant 108 is guided from the center of flow to the contact surface 112, while warmed coolant 108 is led away from the contact surface 112.
  • the substantially unobstructed cooling channel 106 has a low flow resistance.
  • FIG. 3 illustrates an integrated turbulator 302 for ensuring a turbulent flow 304 for improved heat transfer.
  • At least one integrated mobile turbulator 302 is used in a one-piece device 300 for the dehumidification of power semiconductors 102.
  • the movable turbulator 302 is integrated directly into the heat sink 300 using the additive manufacturing technology and causes a turbulence 304 through a fluidically induced movement, so that the boundary surfaces 112 are always supplied with turbulent flow. Additive manufacturing therefore makes it possible to integrate a function which conventionally would not be possible.
  • FIG. 3 shows a turbulent flow 304 with integrated exemplary movable propeller 302 as turbulator 302.
  • the introduction of a movable turbulator element 302 causes turbulence in the cooling channel 106, which always transports cold coolant 108 to the interface 112.
  • the turbulence takes place in the z-direction.
  • FIG. 4 shows an illustration of a propeller-shaped swirl body 302 according to an embodiment of the present invention.
  • the swirl body 302 is shown in two views.
  • the swirling body 302 is arranged in the cooling passage 106 as in FIG. 3.
  • a holding structure 400 of the swirling body 302 is shown here.
  • the support structure 400 is integrally connected to the heat sink and laser sintered in the same sintering process as the swirl body 302 and the heat sink.
  • the swirl body 302 is formed here propeller-shaped.
  • the swirl body 302 has four propeller blades aligned radially to a propeller hub. The propeller blades are set at an angle to the flow direction.
  • the support structure 400 has struts 402 and a rotation axis 404.
  • the struts 402 are arranged in two planes on either side of the swirl body 302 transversely to the cooling channel 106 and each form a cross.
  • the axis of rotation 404 extends between the intersections of the struts 402.
  • the axis of rotation 404 is aligned substantially on a central axis of the cooling channel 106 axially to the cooling channel 106.
  • the swirl body 302 is rotatably disposed about the rotation axis 404.
  • the propeller hub has a through hole in which the axis of rotation 404 is located.
  • the support structure 400 includes the struts 402 and two bearings 406 for a propeller shaft 408 of the swirl body 302.
  • the bearings 406 are arranged in the two planes on either side of the swirling body 302 at the crossing points of the struts 402.
  • the bearings 406 can For example, be designed as through holes or blind holes for stub shaft of the propeller shaft 408.
  • FIG. 4 shows, by way of example, a propeller 302, which is attached to support rods 402 in the cooling channel 106.
  • the cooling channel 106 can be made in one piece. Elaborate two or more parts to be screwed together housing parts can be saved. Thus, additional functional integration is possible by this method.
  • the cooling channel 106 can be made in one piece, wherein the movable part 302 is already integrated during manufacture.
  • the at least one movable part 302 is introduced directly into a cooling circuit, so that a turbulent flow of the heat-emitting surface is ensured.
  • the movable parts 302 may be made of metallic material and plastic.
  • At least one propeller-like component 302 is introduced into the cooling channel 106.
  • the movable part 302 is fixed to support struts 402.
  • the internal propeller 302 is then moved by the flow, thus providing a turbulent flow.
  • FIG. 5 is an illustration of a paddle swirl body 302 according to one embodiment of the present invention.
  • the swirl body 302 is shown in three views.
  • the swirling body 302 is arranged centrally in the cooling channel 106, as in FIG. 4.
  • the support structure 400 has struts 402 as in FIG. 4.
  • the struts are arranged here in a plane in the flow direction upstream of the swirling body 302.
  • the struts 402 are cross-shaped transversely to the cooling channel 106 as in FIG. orderly.
  • the swirl body 302 is vibratably connected to the struts 402 at a crossing point of the struts 402.
  • the Verwirbelungs stresses 302 is formed here as biberschwanzförmig flattened oscillating body.
  • the swirl body 302 is connected to the support structure 400 at its upstream end.
  • opposing vortices are formed on the opposite flattened sides of the swirling body 302, which cause the swirling body 302 to swing back and forth, which in turn amplifies the swirling.
  • the vortices detach at the outflow edge of the swirl body 302 and lead to a mixing of the coolant transversely to the flow direction.
  • At least one movable element 302 is imprinted in the cooling channel 106 which moves in the fluid flow in the manner of an artificial fishing lure 302. This is also held by holding webs 402 in the cooling channel 106 and swirled by the flow in the channel 106, the coolant.
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method 600 for producing an electronic module according to an embodiment of the present invention.
  • the method includes a step 602 of providing and a step 604 of connecting.
  • step 602 of providing a power semiconductor and an integrally laser-sintered heat sink with at least one cooling channel are provided.
  • a swirling body laser-sintered in a process with the heat sink is arranged.
  • step 604 of the connection the power semiconductor is thermally conductively connected to the heat sink.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature
  • this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronikmodul (100) mit zumindest einem Leistungshalbleiter (102), der wärmeleitend mit einem einstückig lasergesinterten Kühlkörper (300) verbunden ist und einem beweglich in einem lasergesinterten Kühlkanal (106) des Kühlkörpers (300) angeordneten, in einem Prozess mit dem Kühlkörper (300) lasergesinterten Verwirbelungskörper (302).

Description

Elektronikmodul und Verfahren zum Herstellen desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronikmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Elektronikmoduls.
Ein Wärmeübergang zwischen einer Grenzfläche und einem Fluid ist bei einer laminaren Strömung durch eine geringe vertikale Durchmischung des Fluids in vertikaler Richtung begrenzt. Der Wärmeübergang kann verbessert werden, wenn das Fluid mit einer turbulenten Strömung an der Grenzfläche vorüber fließt.
Die US 2009 183 857 A beschreibt einen Turbulator für ein Wärmetauscherrohr.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Elektronikmodul und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Elektronikmoduls gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Elektronikmodul mit folgenden Merkmalen vorgestellt: zumindest einem Leistungshalbleiter, der wärmeleitend mit einem einstückig lasergesinterten Kühlkörper verbunden ist; und einem beweglich in einem lasergesinterten Kühlkanal des Kühlkörpers angeordneten, in einem Prozess mit dem Kühlkörper lasergesinterten Verwirbelungskörper.
Leistungshalbleiter sind temperaturkritisch, da die anfallende Verlustleistung unge- kühlt zu so hohen Temperaturen führen kann, dass das Halbleitermaterial des Leistungshalbleiters irreversibel geschädigt werden kann. Daher ist eine bestmögliche Kühlung des Leistungshalbleiters erforderlich. Eine gut wärmeleitende Verbindung kann beispielsweise durch einen Wärmeleitkleber erreicht werden. Unter Lasersintern kann hier additive Manufacturing verstanden werden. Durch selektives Lasersintern können nahezu beliebige, strömungsoptimierte und wärmewiderstandsoptimierte Kühlkörper hergestellt werden. Beim Lasersintern werden einzelne Partikel eines pulverförmig vorliegenden Materials mittels eines Laserstrahls erhitzt, bis die Partikel sich auf atomarer Ebene miteinander verbinden. Bauteile werden dabei schichtweise aufgebaut. Sintern kann bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts des Materials erfolgen. Das Material kann auch soweit erwärmt werden, bis die Partikel schmelzflüssig sind. Dann kann das Herstellungsverfahren als selektives Laserschmelzen bezeichnet werden. Durch das Lasersintern können Körper mit integrierten Hohlräumen hergestellt werden. Das ungesinterte Pulver aus einem Hohlraum wird nach dem Sinterprozess entfernt. Der zumindest eine Kühlkanal kann als ein solcher Hohlraum hergestellt worden sein. Zwischen dem Verwirbelungskörper und dem Kühlkörper kann ein geringer Spalt bestehen. Der Spalt kann durch eine Restmenge an ungesintertem Material hergestellt werden.
Der Kühlkörper kann aus einem Metallmaterial lasergesintert sein. Der Leistungshalbleiter kann auf den Kühlkörper gelötet sein. Eine besonders gute Kühlung kann durch ein Verringern von Wärmeübergangswiderständen erreicht werden. Dazu kann der Leistungshalbleiter beispielsweise auf einen Kühlkörper aus einem Material mit einem geringen Wärmewiderstand gelötet werden. Das Material kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium sein.
Der Leistungshalbleiter kann ein IGBT sein. Über einen IGBT können hohe Leistungen geschaltet werden. Der IGBT kann besonders wärmeempfindlich sein.
Eine lasergesinterte Welle des Verwirbelungskörpers kann drehbar in dem Kühlkanal gelagert sein. Alternativ kann der Verwirbelungskörper drehbar auf einer in dem Kühlkanal angeordneten lasergesinterten Achse gelagert sein. Lagerstellen können dreidimensional ausgeformt sein.
Der Verwirbelungskörper kann gelocht sein. Durch eine Lochung können zusätzliche Verwirbelungen des Kühlmediums erzeugt werden. Die Löcher können beim Lasersintern ausgelassen werden.
Der Verwirbelungskörper kann unregelmäßig geformt sein. Beispielsweise kann ein drehbarer Verwirbelungskörper eine unregelmäßige Teilung aufweisen. Durch die Unregelmäßigkeit können Schwingungen und/oder Resonanzen verhindert werden. Durch die unregelmäßige Form können so Geräusche verhindert werden.
Der Verwirbelungskörper kann propellerförmig ausgebildet sein. Alternativ kann der Verwirbelungskörper paddeiförmig ausgebildet sein. Ein Propeller kann von der Strömung des Kühlmediums zu einer Rotation angeregt werden. Die Propellerblätter erzeugen dabei Verwirbelungen im Kühlmedium, die eine laminare Strömung in eine turbulente Strömung kippen lassen können. Ein paddeiförmiger Verwirbelungskörper kann durch die Strömung des Kühlmediums zu Schwingungen angeregt werden, die ebenfalls Verwirbelungen im Kühlmedium erzeugen können, die die laminare Strömung ebenfalls in eine turbulente Strömung kippen lassen können.
Der Verwirbelungskörper kann aus einem Kunststoffmaterial lasergesintert sein. Der Verwirbelungskörper kann aus weniger gut wärmeleitendem Material sein, da der Verwirbelungskörper nicht direkt am Wärmeübergang beteiligt ist.
Das Elektronikmodul kann zumindest einen weiteren beweglich in dem Kühlkanal angeordneten, in einem Prozess mit dem Kühlkörper lasergesinterten Verwirbelungskörper aufweisen. Durch mehrere hintereinander im Kühlmedium angeordnete Verwirbelungskörper kann die Strömung über eine längere Strecke turbulent gehalten werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Elektronikmoduls gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Leistungshalbleiters und eines einstückig lasergesinterten Kühlkörpers mit zumindest einem Kühlkanal, in dem ein in einem Prozess mit dem Kühlkörper lasergesinterter Verwirbelungskörper angeordnet ist; und
Verbinden des Leistungshalbleiters mit dem Kühlkörper.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Darstellung eines konventionellen Elektronikmoduls;
Fig. 2 eine Darstellung eines Elektronikmoduls mit einer Pin-Fin-Struktur;
Fig. 3 eine Darstellung eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Darstellung eines propellerförmigen Verwirbelungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Darstellung eines paddeiförmigen Verwirbelungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines konventionellen Elektronikmoduls 100. Das Elektronikmodul 100 weist einen Leistungshalbleiter 102 und eine Bodenplatte 104 auf. Auf einer dem Leistungshalbleiter 102 gegenüberliegenden Seite der Bodenplatte 104 ist ein Kühlkanal 106 für ein Kühlmedium 108 ausgebildet. Die Bodenplatte 104 bildet eine Seite des Kühlkanals 106 aus. Das Kühlmedium 108 fließt durch den Kühlkanal 106.
Am Leistungshalbleiter 102 fällt im Betrieb Verlustleistung in Form von Wärme 110 an, die abgeführt werden soll. Die Bodenplatte 104 ist aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise Kupfer ausgeführt. Der Leistungshalbleiter 102 ist auf die Bodenplatte 104 gelötet und damit wärmeleitend verbunden. Die Wärme 110 durchdringt die Bodenplatte 104 und geht an einer Kontaktfläche 112 zwischen der Bodenplatte 104 und dem Kühlmedium 108 in das Kühlmedium 108 über.
Das Kühlmedium 108 fließt mit einer laminaren Strömung 114 durch den Kühlkanal 106. Dabei ist eine Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums 108 der Mitte des Kühlkanals 106 am größten und nimmt zu den Rändern des Kühlkanals 106 stetig ab. Im Bereich der Kontaktfläche 112 bildet sich aufgrund der laminaren Strömung 114 eine Grenzschicht 116 mit einer geringen Fließgeschwindigkeit aus. Zusätzlich wird das Kühlmedium 108 durch die laminare Strömung 114 quer zur Fließrichtung nur gering durchmischt. Beide Effekte führen dazu, dass das Kühlmedium 108 die Wärme 110 im Wesentlichen nur im Bereich der Grenzschicht 116 aufnimmt.
Für die Kühlung beziehungsweise Entwärmung von wärmeerzeugenden Komponenten 102 sind Vorrichtungen 100 erforderlich, die die Wärme 110 in ein Medium 108 überführen, abtransportieren und dann an die Umgebung abgeben.
Als Vorrichtung 100 zum Überführen der Wärme 110 in ein Kühlmedium 108 können verschiedene Arten von Wärmetauschern 104 eingesetzt werden. Im Bereich der Entwärmung von Leistungshalbleitern 102 können flüssigkeitsgekühlte Entwär- mungskonzepte verfolgt werden, bei denen die Wärme 110 durch ein gut wärmeleitendes Material 104, wie beispielsweise Kupfer zur Wärmeübergangsfläche 112 geleitet wird. Diese Übergangsfläche 112 wird von einem relativ kalten Kühlmedium 108 angespült, sodass es zu einem Wärmeaustausch kommt. Als Kühlmedium 108 wird meist Wasser in Verbindung mit einem geeigneten Frostschutzmittel, wie beispielsweise Glykol verwendet.
Zum Führen des Wasser-Glykol-Gemischs 108 können offene beziehungsweise mehrteilige Kühlkanäle 106 verwendet werden, um die Leistungshalbleiter 102 beziehungsweise Module, in denen sich die Leistungshalbleiter befinden austauschen zu können und Kühlkörper 104 mit guten Übergangseigenschaften einsetzen zu können.
Die Verlustleistung des Leistungsmoduls 102 beziehungsweise IGBTs 102 erhitzt den IGBT 102, der die Wärme 110 möglichst schnell und effizient abgeben soll. Dazu ist er durch Lot- und Keramikschichten auf eine Kühlplatte 104 aufgebracht. Die Kühlplatte 104 besteht meist aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium und hat direkten Kontakt zum Kühlmedium 108. Anhand von Pfeilen ist die Strömungsrichtung dargestellt.
In Fig. 1 ist eine rein laminare Strömung 114 mit flacher Grenzfläche 112 ohne Strukturen dargestellt. Durch eine flach ausgeführte Bodenplatte 104 ohne jegliche Turbu- latoren findet an der Grenzfläche 112 zwischen Wasser 108 und Kupferplatte 104 eine laminare Strömung 114 des Kühlmediums 108 statt. Sobald das Kühlmedium 108 nahezu die Temperatur der Kupferplatte 104 erreicht hat, kann es keine weitere Wärmemenge mehr aufnehmen. Kühlmittel 108, dass sich weiter unten, hier in negativer z-Richtung befindet, kann jedoch durchaus noch eine tiefere Temperatur aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Elektronikmoduls 100 mit einer Pin-Fin- Struktur 200. Das Elektronikmodul 100 entspricht im Wesentlichen dem Elektronikmodul in Fig. 1. Zusätzlich dazu ist im Bereich des Kühlkanals 106 die Pin-Fin- Struktur 200 auf der Bodenplatte 104 angeordnet. Die Pin-Fin-Struktur 200 weist Fortsätze 202 aus wärmeleitendem Material auf, die in den Kühlkanal 106 hineinragen. Die Pin-Fin-Struktur 200 kann auch eine eigene Grundplatte aufweisen, die mit der Bodenplatte 104 wärmeleitend verbunden ist.
Das Kühlmedium 108 umströmt die Pin-Fin-Struktur 200. Durch die Pin-Fin- Struktur 200 ist die Kontaktfläche 112 vergrößert. Die Wärme 110 wird in den Fortsätzen 202 der Pin-Fin-Struktur 200 in Richtung der Strömungsmitte transportiert, sodass die Wärme 110 von einem größeren Anteil des Kühlmediums 108 aufgenommen und abtransportiert wird. Dabei sinkt jedoch die Temperatur Fortsätze 202 mit zunehmender Entfernung von der Bodenplatte 104, sodass mit zunehmender Entfernung von der Bodenplatte 104 aufgrund des abnehmenden Temperaturgradienten zwischen den Fortsätzen 202 und dem Kühlmedium 108 immer weniger Wärme 110 an das Kühlmedium 108 abgegeben wird.
Durch die Pin-Fin-Struktur 200 ist ein Strömungswiderstand des Kühlkanals 106 erhöht. Ab einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit wird die Strömung im Bereich der Pin-Fin-Struktur 200 deshalb turbulent. Durch die turbulente Strömung wird ein Wärmeübergang zwischen der Kontaktfläche 112 und dem Kühlmedium 108 verbessert. Die Pin-Fin-Struktur 200 behindert jedoch die Durchmischung des Kühlmediums 108 quer zur Strömungsrichtung.
Die Kühlkörper 104 können feststehende Strukturen 202 aufweisen, die in das Kühlmedium 108 hineinragen und so einerseits die Grenzfläche 112 genügend groß zu gestalten und andererseits die Strömung turbulent zu gestalten. Derartige Strukturen 202 können als sogenannte Pin-Fin-Strukturen 200 ausgeführt sein, wobei Stifte 202 aus Kupfer in das Kühlmedium 108 ragen. Diese Struktur 200 ist starr und bedarf eines zweiteiligen Aufbaus des Kühlkanals 106 und Kühlkörpers 104, da diese Struktur 200 sonst nicht gefertigt werden kann. Der Kühlkanal 106 und der Kühlkörper 104 werden mittels Verbindungstechnik verschlossen und abgedichtet. Entweder geschieht dies mit einer Gummi-Dichtung oder auch beispielsweise durch die Verwendung von Schweißtechniken, wie Rührreibschweißen.
In Fig. 2 ist eine laminare Strömung mit einer Pin-Fin-Struktur 200 als ins Kühlmedium 108 reinragende Struktur 202 dargestellt. Durch die Verwendung von statischen Elementen 202, wie aus der Kupferplatte 104 herausstehende Kupferpins 202, wird eine Verwirbelung des Kühlmittelstroms 108 hervorgerufen. Die Wärme 110 kann durch die Pins 202 weiter in das Kühlmittel 108 eindringen und die stehenden Pins 202 verursachen gleichzeitig eine Verwirbelung des Stroms in y-Richtung. Die im Kühlmedium 108 stehenden Elemente 202 können auch diverse andere geometrische Formen einnehmen, wie beispielsweise Flächen, Stege oder Flügelprofile.
Zum Gewährleisten einer turbulenten Strömung sind feststehende strömungsbeein- flussende Elemente 202 in den Kühlkanal 106 eingebracht, die eine partielle Verwirbelung hervorrufen.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 100 entspricht im Wesentlichen dem Elektronikmodul in Fig. 1. Im Gegensatz dazu ist der Leistungshalbleiter 102 hier auf einem lasergesinterten Kühlkörper 300 angeordnet und mit diesem wärmeleitend verbunden. Weiterhin ist der Kühlkanal 106 als Aussparung in dem einstückig lasergesinterten Kühlkörper 300 ausgeführt. In dem Kühlkanal 106 ist ein im selben Sinterprozess wie der Kühlkörper 300 hergestellter Verwirbelungskör- per 302 angeordnet. Die laminare Strömung 114 trifft auf den Verwirbelungskör- per 302 und versetzt diesen in Bewegung. Die Bewegung bewirkt einen Umschlag der laminaren Strömung 114 in eine turbulente Strömung 304. Durch die turbulente Strömung 304 wird die Grenzschicht 116 an der Kontaktfläche 112 minimal und ein Wärmeübergang zwischen der Kontaktfläche 112 und dem Kühlmedium 108 wird verbessert. Durch die unbehinderte Durchmischung des Kühlmediums 108 quer zur Strömungsrichtung wird kontinuierlich kühleres Kühlmittel 108 aus der Strömungsmitte an die Kontaktfläche 112 geführt, während angewärmtes Kühlmittel 108 von der Kontaktfläche 112 weggeführt wird. Der im Wesentlichen unobstruierte Kühlkanal 106 weist einen geringen Strömungswiderstand auf.
Mit anderen Worten ist in Fig. 3 ein integrierter Turbulator 302 zum Gewährleisten einer turbulenten Anströmung 304 für einen verbesserten Wärmeübergang dargestellt.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird in einer einteiligen Vorrichtung 300 zum Ent- wärmen von Leistungshalbleitern 102 zumindest ein integrierter beweglicher Turbulator 302 verwendet. Der bewegliche Turbulator 302 wird unter Verwendung der Additive Manufacturing Technologie direkt in den Kühlkörper 300 integriert und ruft durch eine strömungstechnisch hervorgerufene Bewegung eine Turbulenz 304 hervor, sodass die Grenzflächen 112 stets turbulent angeströmt werden. Durch das additive Manufacturing lässt sich demnach eine Funktion integrieren, die herkömmlich nicht herstellbar wäre.
Beim Entwärmen besteht die Herausforderung, die Wärme 110 an die Grenzflächen 112 zu leiten, die von zwei Medien, also Metall und Kühlmedium 108, berührt werden und die Wärme 110 so in das Kühlmedium 108 beziehungsweise das Was- ser-Glykol Gemisch 108 zu überführen. Um die Wärmeabgabe an das flüssige Kühlmedium 108 möglichst optimal zu gestalten, wird anstatt einer laminaren Anströmung 114 eine turbulente Anströmung 304 der erwärmten Fläche 112 angestrebt. Idealerweise sollte weiterhin ein Austausch von Kühlmedium 108 in vertikaler Rich- tung erzielt werden, um stets kühles Kühlwasser 108 an die Grenzfläche 112 strömen zu lassen.
In Fig. 3 ist eine turbulente Strömung 304 mit integriertem beispielhaften beweglichen Propeller 302 als Turbulator 302 dargestellt. Durch das Einbringen eines beweglichen Turbulator-Elements 302 wird eine Verwirbelung im Kühlkanal 106 hervorgerufen, die stets kaltes Kühlmittel 108 an die Grenzfläche 112 transportiert. Die Verwirbelung findet in z-Richtung statt.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines propellerförmigen Verwirbelungskörpers 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Verwirbelungskör- per 302 ist in zwei Ansichten dargestellt. Der Verwirbelungskörper 302 ist wie in Fig. 3 in dem Kühlkanal 106 angeordnet. Zusätzlich ist hier eine Haltestruktur 400 des Verwirbelungskörpers 302 dargestellt. Die Haltestruktur 400 ist einstückig mit dem Kühlkörper verbunden und im selben Sinterprozess, wie der Verwirbelungskörper 302 und der Kühlkörper lasergesintert worden. Der Verwirbelungskörper 302 ist hier propellerförmig ausgebildet. Der Verwirbelungskörper 302 weist vier radial zu einer Propellernabe ausgerichtete Propellerflügel auf. Die Propellerflügel sind um einen Anstellwinkel zu der Strömungsrichtung angestellt. Die Haltestruktur 400 weist Streben 402 und eine Rotationsachse 404 auf. Die Streben 402 sind in zwei Ebenen beiderseits des Verwirbelungskörpers 302 quer zu dem Kühlkanal 106 angeordnet und bilden je ein Kreuz. Die Rotationsachse 404 verläuft zwischen den Schnittpunkten der Streben 402. Die Rotationsachse 404 ist im Wesentlichen auf einer Mittelachse des Kühlkanals 106 axial zu dem Kühlkanal 106 ausgerichtet. Der Verwirbelungskörper 302 ist drehbar um die Rotationsachse 404 herum angeordnet. Dazu weist die Propellernabe ein Durchgangsloch auf, in dem sich die Rotationsachse 404 befindet.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Haltestruktur 400 die Streben 402 und zwei Lagerstellen 406 für eine Propellerwelle 408 des Verwirbelungskörpers 302 auf. Die Lagerstellen 406 sind in den zwei Ebenen beiderseits des Verwirbelungskörpers 302 an den Kreuzungspunkten der Streben 402 angeordnet. Die Lagerstellen 406 können beispielsweise als Durchgangslöcher oder Sacklöcher für Wellenstummel der Propellerwelle 408 ausgeführt sein.
In Fig. 4 ist beispielhaft ein Propeller 302 dargestellt, der im Kühlkanal 106 an Haltestäben 402 angebracht ist. Unter Verwendung des Additive Manufacturing- Verfahrens beziehungsweise 3D-Druck von Metall, kann der Kühlkanal 106 einteilig gefertigt werden. Aufwendige zwei oder mehrteilige miteinander zu verschraubende Gehäuseteile können eingespart werden. Durch dieses Verfahren ist demnach eine zusätzliche Funktionsintegration möglich.
Der Kühlkanal 106 kann einteilig ausgeführt werden, wobei das bewegliche Teil 302 bereits beim Herstellen integriert wird. Das zumindest eine bewegliche Teil 302 wird direkt in einen Kühlkreislauf eingebracht, sodass eine turbulente Anströmung der wärmeabgebenden Fläche gewährleistet wird. Die bewegliche Teile 302 können aus metallischem Werkstoff und aus Kunststoff gefertigt sein.
In einem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein propellerartiges Bauteil 302 in den Kühlkanal 106 eingebracht. Das bewegliche Teil 302 ist an Haltestreben 402 befestigt. Der interne Propeller 302 wird dann durch die Strömung bewegt und sorgt so für eine turbulente Anströmung.
Durch Kaskadierung mehrerer eingebrachter Propeller 302 in diversen Ausführungsformen, beispielsweise gelöchert oder unregelmäßig, können mehrere strömungsop- timierte Varianten aufgebaut werden.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines paddeiförmigen Verwirbelungskörpers 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Verwirbelungskörper 302 ist in drei Ansichten dargestellt. Der Verwirbelungskörper 302 ist wie in Fig. 4 zentral in dem Kühlkanal 106 angeordnet. Die Haltestruktur 400 weist wie in Fig. 4 Streben 402 auf. Im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 4 sind die Streben hier in einer Ebene in Strömungsrichtung stromaufwärts des Verwirbelungskörpers 302 angeordnet. Die Streben 402 sind wie in Fig. 4 kreuzförmig quer zu dem Kühlkanal 106 an- geordnet. Der Verwirbelungskörper 302 ist an einem Kreuzungspunkt der Streben 402 mit den Streben 402 schwingungsfähig verbunden.
Der Verwirbelungskörper 302 ist hier als biberschwanzförmig abgeplatteter Schwingkörper ausgebildet. Der Verwirbelungskörper 302 ist an seinem stromaufwärts gelegenen Ende mit der Haltestruktur 400 verbunden. Wenn der Verwirbelungskörper 302 von dem Kühlmedium umströmt wird, bilden sich an den gegenüberliegenden abgeflachten Seiten des Verwirbelungskörpers 302 gegenläufige Wirbel aus, die den Verwirbelungskörper 302 dazu anregen hin und her zu schwingen beziehungsweise zu flattern, was wiederum die Wirbelbildung verstärkt. Die Wirbel lösen sich an der Abström kante von dem Verwirbelungskörper 302 ab und führen zu einer Durchmischung des Kühlmittels quer zu der Strömungsrichtung.
In einem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein bewegliches Element 302 in dem Kühlkanal 106 eingedruckt, das sich in dem Flüssigkeitsstrom in der Art eines künstlichen Angelköders 302 bewegt. Dieser ist ebenfalls durch Haltestege 402 im Kühlkanal 106 gehalten und verwirbelt durch die Anströmung im Kanal 106 das Kühlmittel.
Durch Anordnen zumindest zweier hintereinander angebrachter Verwirbelungskörper 302 können weitere Verwirbelungen hervorgerufen werden.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Elektronikmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt 602 des Bereitstellens und einen Schritt 604 des Verbindens auf. Im Schritt 602 des Bereitstellens werden ein Leistungshalbleiter und ein einstückig lasergesinterter Kühlkörper mit zumindest einem Kühlkanal bereitgestellt. In dem Kühlkanal ist ein in einem Prozess mit dem Kühlkörper lasergesinterter Verwirbelungskörper angeordnet. Im Schritt 604 des Verbindens wird der Leistungshalbleiter mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden.
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.
Bezuqszeichen
100 Elektronikmodul
102 Leistungshalbleiter
104 Bodenplatte
106 Kühlkanal
108 Kühlmedium
110 Wärme
112 Kontaktfläche
114 laminare Strömung
116 Grenzschicht
200 Pin-Fin-Struktur
202 Fortsatz
300 Kühlkörper
302 Verwirbelungskörper
304 turbulente Strömung
400 Haltestruktur
402 Strebe
404 Rotationsachse
406 Lagerstelle
408 Propellerwelle
600 Verfahren zum Herstellen
602 Schritt des Bereitstellens
604 Schritt des Verbindens

Claims

Patentansprüche
1. Elektronikmodul (100) mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Leistungshalbleiter (102), der wärmeleitend mit einem einstückig lasergesinterten Kühlkörper (300) verbunden ist; und einem beweglich in einem lasergesinterten Kühlkanal (106) des Kühlkörpers (300) angeordneten, in einem Prozess mit dem Kühlkörper (300) lasergesinterten Verwir- belungskörper (302).
2. Elektronikmodul (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem der Kühlkörper (300) aus einem Metallmaterial lasergesintert ist und der Leistungshalbleiter (102) auf den Kühlkörper (300) gelötet ist.
3. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leistungshalbleiter (102) ein IGBT ist.
4. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine lasergesinterte Welle (408) des Verwirbelungskörpers (302) drehbar in dem Kühlkanal (106) gelagert ist.
5. Elektronikmodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Verwirbe- lungskörper (302) drehbar auf einer in dem Kühlkanal (106) angeordneten lasergesinterten Achse (404) gelagert ist.
6. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwirbelungskörper (302) gelocht ist.
7. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwirbelungskörper (302) unregelmäßig geformt ist.
8. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwirbelungskörper (302) propellerförmig ausgebildet ist.
9. Elektronikmodul (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Verwirbe- lungskörper (302) paddeiförmig ausgebildet ist.
10. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verwirbelungskörper (302) aus einem Kunststoffmaterial lasergesintert ist.
11. Elektronikmodul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem weiteren beweglich in dem Kühlkanal (106) angeordneten, in einem Pro- zess mit dem Kühlkörper (300) lasergesinterten Verwirbelungskörper (302).
12. Verfahren (600) zum Herstellen eines Elektronikmoduls (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen (602) eines Leistungshalbleiters (102) und eines einstückig lasergesinterten Kühlkörpers (300) mit zumindest einem Kühlkanal (106), in dem ein in einem Prozess mit dem Kühlkörper (300) lasergesinterter Verwirbelungskörper (302) angeordnet ist; und
Verbinden (604) des Leistungshalbleiters (102) mit dem Kühlkörper (300).
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