EP4639622A1 - Elektronisches modul und kühlsystem dazu - Google Patents

Elektronisches modul und kühlsystem dazu

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Publication number
EP4639622A1
EP4639622A1 EP24702242.9A EP24702242A EP4639622A1 EP 4639622 A1 EP4639622 A1 EP 4639622A1 EP 24702242 A EP24702242 A EP 24702242A EP 4639622 A1 EP4639622 A1 EP 4639622A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electronic module
piezoelectric
semiconductor
semiconductors
frame
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.)
Pending
Application number
EP24702242.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Eder
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4639622A1 publication Critical patent/EP4639622A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D33/00—Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
    • 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
    • H10W40/43—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing gases, e.g. forced air cooling

Definitions

  • the invention relates to an electronic module which, during operation, exhibits a heat density of 1 W/cm2 or more , and in particular to a novel cooling system therefor which is improved with regard to the cold chain.
  • power electronics or "electronic module” refers to everything that has to do with the control, conversion or switching of electrical energy using electronic semiconductors and/or semiconductors, such as chips. This starts at just a few hundred milliamps and a few volts, but goes up to several ten thousand volts and several thousand thousand amps.
  • Electronic modules enable the conversion of electrical energy in terms of the voltage form, the level of voltage and current, and the frequency. In the drive technology of electric drives, the operating points of electrical machines can be set very flexibly using the control options offered by electronic modules. Today, even large machine drives and/or electric locomotives are equipped with electronic modules for control.
  • Electronic modules are also becoming more and more common in the areas of energy generation and/or transmission. In systems with lower output or systems with conditions under which the classic synchronous generator cannot be used as an energy generator, electronic modules are used as frequency converters to feed the generated electrical energy into the power grid.
  • Electronic modules are also becoming increasingly important in the automotive sector. Here, a large number of electrical consumers are switched and controlled using electronic modules.
  • Cooling, or waste heat dissipation, from electronic modules is a very important issue and influences not only the efficiency and/or speed of the electronic modules, but also their service life.
  • electronic modules that are circuits such as HVDC "high-voltage direct current transmission" close couplings and/or converters, very high waste heat densities of several watts per cm2 arise, which are expensive to cool and dissipate.
  • HVDC high-voltage direct current transmission
  • close couplings and/or converters very high waste heat densities of several watts per cm2 arise, which are expensive to cool and dissipate.
  • In addition to oversized heat sinks, fans, various types of heat spreaders and thermal interface materials are often used.
  • the result of using this modular system is a construction that is sometimes expensive and often unsatisfactory in terms of cooling results and is not permanently reliable, and which has been used more or less unchanged for over 40 years due to a lack of technical alternatives and dependency on suppliers.
  • the conventional standard components for cooling electronic modules are thermal paste and metallic coolers.
  • the thermal paste has the task of thermally connecting the cooler to the semiconductor or chip of the electronic module, while the heat sinks, particularly metallic heat sinks made of aluminum and/or copper, for example, carry out the next step in the cooling chain of increasing the surface area.
  • the object of the present invention is to create an electronic module with a compact and efficient cooling system which overcomes the disadvantages of the prior art, in particular with regard to the different thermal conductivities within the cold chain and/or with regard to the compactness and space requirements of the cold chain of electronic modules.
  • the subject matter of the invention is an electronic module comprising at least one frame and a semiconductor for controlling, regulating and/or switching electrical currents and voltages, wherein at least one element such as the semiconductor is present as a piezo actuator, by means of which an element of the electronic module is set into oscillation and/or vibration for cooling by ambient air when current flows by utilizing the inverse piezoelectric effect.
  • Piezoelectric semiconductors are either made of piezoelectric materials and/or coupled with piezoelectric material.
  • Piezoelectric material can, for example, be present in the form of a coating or a partial coating.
  • Piezoelectric materials include all ferroelectric materials and materials with a permanent electric dipole.
  • barium titanate and lead zirconate titanate (PZT) are commonly used piezoelectric materials.
  • piezoelectric materials come also in the form of piezoelectric thin films, piezoelectric polymers, lead-free inorganic piezoelectric particles and/or crystals, as well as in the form of metals.
  • Piezo crystals are crystals with polar axes, but without a center of symmetry. These include, for example, a-quartz, liquid crystals, tourmaline, Rochelle salt, zinc sulfide and cane sugar. Of the 32 known crystal classes in solid-state physics, 20 allow piezoelectricity in principle because they have a polar symmetry.
  • the piezoelectric material can, for example, be combined with the semiconductor to form the piezoelectric semiconductor in which piezo crystals are formed and/or deposited on the carrier, e.g. wafer.
  • the wafer which forms the chip because, for example, integrated circuits are arranged on it, thus serves not only as a carrier for the conductor tracks that form the circuits, but also as a carrier for the piezo crystals.
  • Piezo actuators utilize the inverse piezoelectric effect; they are made of piezoelectric material and convert electrical energy directly into mechanical energy, enabling movements in the sub-nanometer range.
  • the semiconductor is piezoelectric.
  • active piezoelectric thin films on silicon.
  • active piezoelectric thin films include, for example, zinc oxide “ZnO” and/or aluminum nitride "AIN".
  • the semiconductor has one or more piezo actuators in addition to the control and circuit elements on a common semiconducting substrate, for example a chip and/or a circuit board.
  • one or more piezo actuators are fixed to the semiconductor by bonding.
  • Wire bonding is used as an umbrella term for various connection processes in assembly and connection technology. Wire bonding refers to the wiring of an integrated circuit or a discrete semiconductor with the electrical connections of other components or the housing.
  • a stack of semiconductors is realized in a frame with a multilayer stack construction.
  • the holding frame is preferably made of plastic and dielectric.
  • Figure 1 shows a cross-section through an embodiment of the invention, in which piezoelectric semiconductors or chips are arranged and fixed freely oscillating, alternating right and left within a frame.
  • Figure 2 shows a cross-section through another exemplary embodiment of the invention, in which the piezoelectric semiconductors, or chips, are held in the frame on two sides, whereby a standing wave results upon piezoelectric excitation.
  • Figure 1 shows an electronic module 1 with three piezoelectric semiconductors 4 and 6 on each side.
  • the individual piezoelectric semiconductors 4 and 6 - also called “chips" - are each attached alternately to a right part 2 and left part 3 of a frame element.
  • electrical contacts and connecting lines to and from the piezoelectric semiconductors 4 and 6 are accommodated.
  • these contacts are also not shown individually, but the person skilled in the art knows how such connections, contacts, connections and/or wiring run in frame elements and are connected to the piezoelectric semiconductors 4, 6.
  • the semiconductors When an electronic module is operating, the semiconductors produce heat, which is cooled and dissipated to prevent the semiconductors from overheating.
  • the piezoelectric semiconductors 4 and 6 as shown here according to an embodiment of the invention, also produce waste heat, but by using the inverse piezoelectric effect of the chips themselves, i.e. the piezoelectric semiconductors, the piezoelectric semiconductors or chips 4 and 6 are set into oscillation or vibration during operation at the same time as they are heated, so that they generate an air flow 5 .
  • the oscillation or vibration of the chips 4 and 6 can be adjusted by the piezoelectric material used, by current density and/or by suspension on the frame element.
  • the oscillation generates an air flow 5 which passes through the electronic module 1 and thereby cools the parts 2, 3, 4 and 6 which heat up during operation.
  • the piezoelectric deflection 7 during the oscillation and/or vibration of the individual piezoelectric semiconductor chips is mainly vertical, i.e. an up and down movement, as indicated in Figure 1 by the short arrows 7.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the invention, in which the six piezoelectric semiconductors 14 shown here are fixed on both sides of each side 12 and 13 of the frame in an electronic module 10, again comprising frame elements 12 and 13, as well as contacts present there. Again, during operation, the piezoelectric semiconductors 14 are firstly undesirably heated and again they begin to oscillate due to the inverse piezoelectric effect, so that an air flow 15 is created.
  • elements 18 for ventilation such as semi-permeable membranes 18 and/or semi-permeable openings 16 and 19, which are activated by the piezoelectric excitation either directly or indirectly through the piezoelectric electrically generated air flow can be set into oscillation and/or vibration.
  • openings 16 and 19 for example, a very effective cross-ventilation can be generated by the air flow 15 in the electronic module 10.
  • the piezoelectric semiconductor When the piezoelectric semiconductor is excited, it vibrates and/or oscillates, forming one or more standing waves. On the other hand, a vibration can also pass through the piezoelectric semiconductor and be reflected at the attachment point on the frame.
  • the present invention proposes for the first time that the chip, which is responsible for the development of waste heat, be cooled by means of high-frequency vibration.
  • the heat is thus dissipated directly from the chip and/or a vapor chamber in which the chip is housed into the air and some of the heat transfer resistances found in a conventional cold chain are eliminated.
  • the high-frequency movement of the substrate to be cooled means that the heat is transferred to the air much better than with conventional blowing via a fan.
  • the solution proposed here for a cooling concept for electronic modules can enormously increase the reliability and efficiency of the cooling systems of electronic devices, in particular power electronic devices.
  • volume flow-enhancing components such as flags made of polymer films mounted at the end of the piezoelectric semiconductor, can increase the effect even further.
  • the introduction of the electromechanical and/or piezoelectric properties onto the chip can be carried out using classical semiconductor technology processes analogous to circuit breaker manufacturing, such as sputtering, vapor deposition, physical vapor deposition “PVD” and/or chemical vapor deposition “CVD” and/or subsequently by using generative manufacturing methods, such as AM processes, and/or application of pastes.
  • classical semiconductor technology processes analogous to circuit breaker manufacturing, such as sputtering, vapor deposition, physical vapor deposition “PVD” and/or chemical vapor deposition "CVD”
  • AM processes such as AM processes, and/or application of pastes.
  • the invention described combines for the first time the heat loss associated with the operation of power electronics with a heat dissipation or cooling option in a single component, the chip.
  • This integration step avoids interfaces which, in previous cooling solutions, have led to a massive deterioration in cooling performance and to considerable expenditure in production and operation.
  • the invention therefore makes it possible for the first time to integrate a cooling system into an electronic module that cools directly, without hindering heat transfer within a cold chain, essentially uses the existing components of the module, possibly reduces their number and simply integrates an additional function in the electrical module and/or in particular in the piezoelectric semiconductor by integrating piezoelectric material. For example, by integrating piezoelectric material, an additional function is integrated into the chip, the circuit board or the piezoelectric semiconductor element.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronisches Modul und Kühlsystem dazu, welches hinsichtlich der Kühlkette verbessert ist. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, in einem elektronischen Modul ein Kühlsystem zu integrieren, das unmittelbar kühlt, ohne hindernde Wärmeübertragung innerhalb einer Kühlkette, im Wesentlichen die vorhandenen Bauelemente des Moduls nutzt, deren Anzahl vermindert und lediglich durch Integration piezoelektrischen Materials eine zusätzliche Funktion integriert.

Description

Beschreibung
Elektronisches Modul und Kühlsystem dazu
Die Erfindung betri f ft ein elektronisches Modul , das bei Betrieb eine Wärmedichte ab 1 W/cm2 Wärmeabgabe zeigt , insbesondere ein neuartiges Kühlsystem dazu, welches hinsichtlich der Kühlkette verbessert ist .
Unter dem Begri f f „Leistungselektronik" oder „elektronisches Modul" versteht man alles , was mit Steuerung, Umformung, oder dem Schalten von elektrischer Energie mit elektronischem Halbleiter und/oder Halbleiter, wie z . B . Chips , zu tun hat . Dies beginnt bereits bei wenigen 100mA und wenigen Volt , reicht aber bis zu mehreren l O OkV und mehreren 1000A. Elektronische Module ermöglichen die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungs form, die Höhe von Spannung und Strom sowie die Frequenz . In der Antriebstechnik der Elektroantriebe lassen sich durch die Steuerungsmöglichkeiten elektronischer Module die Betriebspunkte von elektrischen Maschinen sehr flexibel einstellen . So sind heute auch große Maschinenantriebe und/oder Elektrolokomotiven mit elektronischen Modulen für die Steuerungen ausgestattet .
Auch in Bereichen der Energieerzeugung und/oder -Übertragung gibt es immer mehr elektronische Module . In Anlagen mit geringerer Leistung oder Anlagen mit Bedingungen, unter denen der klassische Synchrongenerator als Energieerzeuger nicht eingesetzt werden kann, werden elektronische Module als Frequenzumrichter eingesetzt , um die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen .
Elektronische Module gewinnen auch zunehmend im Automobilbereich an Bedeutung . Hier wird eine Viel zahl von elektrischen Verbrauchern mit elektronischen Modulen geschaltet und gesteuert .
Kühlung, respektive Verlustwärmeabfuhr, aus elektronischen Modulen ist ein sehr bedeutsames Thema und beeinflusst nicht nur die Ef fi zienz und/oder Geschwindigkeit der elektronischen Module , sondern auch deren Lebensdauer . Insbesondere in elektronischen Modulen, die Schaltungen sind, wie z . B . HGÜ „Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungs"- Kurzkupplungen und/oder Umrichter, entstehen sehr hohe Abwärmedichten von mehreren Watt pro cm2 , die aufwändig gekühlt und abgeführt werden . Neben überdimensionalen Kühlkörpern kommen oft Lüfter, verschiedenste Arten von Wärmesprei zern und thermischen Interf ace-Materialien zum Einsatz . Ergebnis der Anwendung dieses Baukastensystems ist ein mitunter kostspieliges und vom Kühlergebnis her oft unbefriedigendes und auch nicht dauerhaft zuverlässiges Konstrukt , welches aus Mangel an technischen Alternativen und Zulieferabhängigkeit seit über 40 Jahren mehr oder weniger unverändert eingesetzt wird .
Die herkömmlichen Standardkomponenten einer Kühlung elektronischer Module sind insbesondere Wärmeleitpaste und metallischer Kühler . Die Wärmeleitpaste hat die Aufgabe der thermischen Anbindung des Kühlers an den Halbleiter oder Chip des elektronischen Moduls , während die Kühlkörper insbesondere die metallischen Kühlkörper aus z . B . Aluminium und/oder Kupfer, den nächsten Schritt in der Kühlkette der Oberflächenvergrößerung bewerkstelligen .
Allerdings ist der Wärmeabfluss in der Kühlkette beim Übergang von der Wärmeleitpaste zum metallischen Kühlkörper gestört , weil die Wärmeleitpasten Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 1 bi 7 W/mK haben und die darauf folgenden Metalle etwa das 50 zig-Fache . So besteht immer die Gefahr eines Wärmestaus in der Wärmeleitpaste und dieser wird herkömmlich mit Konvektion und/oder immer größeren Kühlkörpern gelöst . Bei der Entwicklung von Leistungselektronik sind neben der Funktionalität und Ef fi zienz der Leistungselektronik der Platzbedarf und das Gewicht wichtige Kriterien .
Die wirtschaftlich und technisch sinnvollen Lösungen sind dabei immer auch die kompakteren . Deshalb sind die aktuell eingesetzten Systeme zur Kühlung von Leistungselektronik nicht optimal und es besteht der Bedarf an neuen platzsparenden Kühlsystemen für elektronische Module .
Zudem enden viele aktuelle Systeme zur Kühlung elektronischen Module mit dem Schritt , dass Verlustwärme aus einem Metall- kühler an die Umgebungsluft übertragen wird . Die Faktoren, welche die mögliche Wärmetrans ferrate dieses letzten Entwär- mungsschritts bestimmen, umfassen neben der meist nur bedingt beeinflussbaren Temperatur der Kühlluft vor allem deren Anblasgeschwindigkeit bzw . die Druckdi f ferenz , welche durch den Lüfter erzeugt wird . Diese ist in der Regel eher gering, so dass mechanische Lüfter neben ihrer eigentlichen Funktion, Luft zu bewegen, auch Anforderungen bzgl . Langlebigkeit , Stromverbrauch und Eigenwärmeproduktion zu erfüllen haben . Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Modul mit einem kompakten und ef fi zienten Kühlsystem zu schaf fen, das die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere hinsichtlich der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten innerhalb der Kühlkette und/oder hinsichtlich der Kompaktheit und des Platzbedarfs der Kühlkette elektronischer Module überwindet .
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren of fenbart wird, gelöst .
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein elektronisches Modul , zumindest einen Rahmen und einen Halbleite zum Steuern, Regeln und/oder Schalten elektrischer Ströme und Spannungen umfassend, wobei zumindest ein Element wie der Halbleiter als Piezoaktor vorliegt , durch den bei Stromfluss durch Nutzung des inversen piezoelektrischen Ef fekts ein Element des elektronischen Moduls in Schwingung und/oder Vibration zur Kühlung durch Umgebungsluft versetzt wird .
Piezoelektrische Halbleiter sind entweder aus piezoelektrischen Materialien und/oder mit piezoelektrischem Material gekoppelt . Dabei kann beispielsweise piezoelektrisches Material in Form einer Beschichtung oder einer Teil-Beschichtung vorliegen .
Piezoelektrische Materialien sind beispielsweise alle ferroelektrischen Materialien und Materialien mit permanentem elektrischem Dipol . Beispielsweise sind Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat ( PZT ) häufig eingesetzte piezoelektrische Materialien . Aber piezoelektrische Materialien kommen auch in Form von piezoelektrischen Dünnfilmen, piezoelektrischen Polymeren, blei freien anorganischen piezoelektrischen Partikel und/oder Kristallen, sowie in Form von Metallen vor . Piezokristalle sind Kristalle mit polaren Achsen, j edoch ohne Symmetriezentrum . Hierzu gehören beispielsweise a-Quarz, Flüssigkristalle , Turmalin, Seignette-Sal z , Zinksul fid und Rohrzucker . Von den 32 bekannten Kristallklassen der Festkörperphysik erlauben 20 prinzipiell Piezoelektri zität , weil sie eine polare Symmetrie haben .
Das piezoelektrische Material kann beispielsweise mit dem Halbleiter zur Bildung des piezoelektrischen Halbleiters verbunden werden, in dem Piezokristalle auf dem Träger, z . B . Wafer, gebildet und/oder abgeschieden werden . Der Wafer, der den Chip bildet , weil darauf z . B . integrierte Schaltkreise angeordnet sind, dient damit nicht nur als Träger für die Leiterbahnen, die die Schaltungen bilden, sondern auch als Träger für die Piezokristalle .
Piezoaktoren nutzen den inversen piezoelektrischen Ef fekt aus , sie sind aus piezoelektrischem Material und wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um und ermöglichen Bewegungen im Sub-Nanometerbereich .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form ist der Halbleiter piezoelektrisch .
Mit Hil fe der Halbleitertechnologie ist es mögliche aktive piezoelektrische Dünnschichten auf Sili zium abzuscheiden . Hierbei handelt es sich beispielsweise um Zinkoxid „ZnO" und/oder Aluminiumnitrid „AIN" .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form hat der Halbleiter einen oder mehrere Piezoaktoren neben den Steuerungs- und Schaltungselementen auf einem gemeinsamen halbleitenden Substrat , beispielsweise einem Chip und/oder einer Platine .
Nach einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form wird ein oder mehrere Piezoaktoren auf dem Halbleiter durch anbonden fixiert werden .
Der Begri f f „Bonden" wird als Überbegri f f für verschiedene Verbindungsprozesse in der Aufbau- und Verbindungstechnik verwendet . Drahtbonden oder Wirebonden bezeichnet das Verdrahten eines integrierten Schaltkreises oder eines diskreten Halbleiters mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile oder des Gehäuses .
Nach einer vorteilhaften Aus führungs form des elektronischen Moduls wird ein Stapel aus Halbleiter in einem Rahmen mit einer mehrlagigen Stapelbauweise realisiert .
So können mehrere dünne Piezo-Halbleiter-Elemente mit dazwischenliegenden Elektroden zusammengefügt werden . Dadurch ergibt sich eine mechanische Reihenanordnung mit Ansteuerung durch eine elektrische Parallelschaltung .
Der Halterahmen ist bevorzugt aus Kunststof f und dielektrisch .
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren, die beispielhafte Aus führungs formen der Erfindung zeigen, näher erläutert :
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Aus führungsbeispiel der Erfindung, bei dem piezoelektrische Halbleiter respektive Chips frei schwingend, alternierend rechts und links innerhalb eines Rahmens angeordnet und befestigt sind .
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch eine andere beispielhafte Aus führungs form der Erfindung, bei der die piezoelektrischen Halbleiter, respektive Chips an zwei Seiten im Rahmen gehalten werden, wobei sich bei piezoelektrischer Anregung eine stehende Welle ergibt .
Figur 1 zeigt ein elektronisches Modul 1 mit drei piezoelektrischen Halbleiter 4 und 6 auf j eder Seite .
Die einzelnen piezoelektrischen Halbleiter 4 und 6 - auch „Chip" genannt - sind j eweils alternierend an einem rechten Teil 2 und linken Teil 3 eines Rahmenelements befestigt . In den beiden gezeigten Teilen 2 und 3 des Rahmenelements sind beispielsweise elektrische Kontakte und Verbindungsleitungen zu den piezoelektrischen Halbleitern 4 und 6 hin und von diesen weg, untergebracht . Diese Kontaktierungen sind der Über- sichtlichkeitshalber ebenfalls nicht einzeln dargestellt , der Fachmann weiß aber, wie solche Anschlüsse , Kontakte , Verbindungen und/oder Verdrahtungen in Rahmenelementen verlaufen und an die piezoelektrischen Halbleiter 4 , 6 angeschlossen sind . Im Betrieb eines elektronischen Moduls produzieren die Halbleiter Wärme , die gekühlt und abgeführt wird, damit sich die Halbleiter nicht überhitzen .
Die piezoelektrischen Halbleiter 4 und 6 , wie hier nach einem Aus führungsbeispiel der Erfindung gezeigt , produzieren auch Abwärme , aber durch die Nutzung des inversen piezoelektrischen Ef fekts der Chips selbst , also der piezoelektrischen Halbleiter werden die piezoelektrischen Halbleiter oder Chips 4 und 6 im Betrieb gleichzeitig mit ihrer Erwärmung in Schwingung respektive Vibration versetzt , so dass sie einen Luftstrom 5 erzeugen .
Die Schwingung oder Vibration der Chips 4 und 6 ist durch das eingesetzte piezoelektrische Material , durch Stromdichte und/oder durch Aufhängung am Rahmenelement einstellbar . Die Schwingung erzeugt einen Luftstrom 5 , der sich durch das elektronische Modul 1 zieht und dadurch die sich im Betrieb erwärmenden Teile 2 , 3 , 4 und 6 kühlt .
Die piezoelektrische Auslenkung 7 während der Schwingung und/oder Vibration der einzelnen piezoelektrischen Halbleiter-Chips ist hauptsächlich vertikal , also eine auf- und ab- Bewegung, wie in Figur 1 durch die kurzen Pfeile 7 angedeutet .
Figur 2 zeigt ein anderes Aus führungsbeispiel der Erfindung, bei dem in einem elektronischen Modul 10 , wieder Rahmenelemente 12 und 13 , sowie dort vorhandene Kontaktierungen, umfassend, die hier gezeigten sechs piezoelektrischen Halbleiter 14 j eweils beidseitig auf j eder Seite 12 und 13 des Rahmens fixiert sind . Wieder kommt es im Betrieb zu erstens einer unerwünschten Erwärmung der piezoelektrischen Halbleiter 14 und wieder geraten diese durch den inversen piezoelektrischen Ef fekt in Schwingung, so dass ein Luftstrom 15 entsteht .
Bei dieser Aus führungs form 10 , bei der die piezoelektrischen Halbleiter 14 sich im Luftstrom innerhalb des elektronischen Moduls befinden, können Elemente 18 zur Ventilation, wie beispielsweise halbdurchlässige Membranen 18 und/oder halbdurchlässige Öf fnungen 16 und 19 , die durch die piezoelektrische Anregung entweder direkt oder indirekt durch den piezoe- lektrisch erzeugten Luftstrom in Schwingung und/oder Vibration versetzt werden, vorgesehen sein . Durch diese Öf fnungen 16 und 19 kann beispielsweise eine sehr wirkungsvolle Querbelüftung durch den Luftstrom 15 im elektronischen Modul 10 erzeugt werden .
Durch die Anregung des piezoelektrischen Halbleiters wird dieser in Vibration und/oder Schwingung versetzt und bildet beispielsweise eine oder mehrere stehende Wellen aus . Andererseits kann sich auch eine Schwingung durch den piezoelektrischen Halbleiter ziehen und j eweils am Befestigungspunkt am Rahmen reflektieren .
Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, den Chip, der für die Abwärme-Entwicklung verantwortlich ist , durch hochfrequente Schwingung zu kühlen . Somit erfolgt die Wärmeabfuhr direkt aus dem Chip und/oder einer Vaporchamber, in der der Chip eingehaust ist , an die Luft und einige der Wärmeübergangswiderstände , die in einer klassischen Kühlkette zu finden sind, werden eliminiert . Durch die hochfrequente Bewegung des zu kühlenden Substrats erfolgt der Wärmetrans fer an die Luft um ein Viel faches besser als beim klassischen Anblasen über einen Lüfter . Durch die Kombination mit einer Kühlkette ist es möglich, ohne Flächensprei zung der Wärmequelle höhere Kühlleistungen zu erreichen .
Durch die hier vorgeschlagene Lösung eines Kühlkonzeptes für elektronische Module beispielsweise über einseitige Lagerung und/oder Fixierung eines piezoelektrischen Halbleiters und/oder eines Elements , das entweder selbst als Piezoaktor wirkt oder über die vom Piezoaktor erzeugte Luft in Schwingung versetzt wird, wie in Figur 1 beispielhaft gezeigt , können Zuverlässigkeit und Ef fi zienz der Kühlsysteme von elektronischen Geräten, insbesondere auch Leistungselektronischen Geräten, enorm gesteigert werden .
Das gleiche gilt für die beidseitige Halterung eines piezoelektrischen Halbleiters und/oder eines Elements , das entweder selbst als Piezoaktor wirkt oder über die vom Piezoaktor erzeugte Luft in Schwingung versetzt wird, wie in Figur 2 beispielhaft gezeigt , in Kombination mit der Einbringung von halbdurchlässigen Öf fnungen im Gehäuse und/oder von Membranen kann auch bei geringerer Auslenkung ein gerichteter Luft- Volumenstrom eingestellt werden . Zusätzlich kann die Verwendung von volumenflussverstärkenden Komponenten, wie am Ende des piezoelektrischen Halbleiters montierte Fahnen aus Polymerfolien den Ef fekt noch steigern .
Die Einbringung der elektromechanischen und/oder piezoelektrischen Eigenschaften auf den Chip kann über klassische Halbleitertechnologieverfahren analog zur Leistungsschalterfertigung wie Sputtern, Be-Dampfen, Physical Vapor Deposition „PVD" und/oder Chemical Vapor Deposition „CVD" erfolgen und/oder nachträglich durch die Verwendung von generativen Fertigungsmethoden, wie AM-Prozessen, und/oder Aufbringung von Pasten .
Die beschriebene Erfindung vereint erstmal die mit dem Betrieb der Leistungselektronik verbundene Verlustwärmeentwicklung mit einer Wärmeabfuhr respektive Kühlmöglichkeit in einem einzigen Bauteil , dem Chip . Durch diesen Integrationsschritt werden Schnittstellen vermieden, welche in bisherigen Kühllösungen zu einer massiven Verschlechterung der Kühlleistung und zu erheblichem Aufwand in Fertigung und Betrieb geführt haben .
Durch die Einbringung von vielen Kühlelementen in ein elektronisches System besteht nun auch die Möglichkeit einer intelligenten Kühl-Steuerung, die neben Intensität auch Ort der Kühlung und Richtung des Luftstroms bestimmen kann . Diese Kühlung ist mit weniger Aufwand ef fektiver und zuverlässiger . Durch die Erfindung ist es somit erstmals möglich, in einem elektronischen Modul ein Kühlsystem zu integrieren, das unmittelbar kühlt , ohne hindernde Wärmeübertragung innerhalb einer Kühlkette , im Wesentlichen die vorhandenen Bauelemente des Moduls nutzt , möglicherweise deren Anzahl vermindert und lediglich durch Integration piezoelektrischen Materials eine zusätzliche Funktion im elektrischen Modul und/oder insbesondere im piezoelektrischen Halbleiter integriert . So wird beispielsweise durch Integration piezoelektrischen Materials eine zusätzliche Funktion in den Chip, die Leiterplatte respektive das - piezoelektrische - Halbleiter-Element integriert .

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Modul (1,10) , zumindest einen Rahmen
(2.3.12.13) und einen Halbleiter (4, 6, 14) zum Steuern, Regeln und/oder Schalten elektrischer Ströme und Spannungen umfassend, wobei zumindest ein Element wie der Halbleiter (4, 6, 14) als Piezoaktor (4, 6, 14) vorliegt, durch den bei Stromfluss durch Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekts ein Element des elektronischen Moduls (4, 6, 14) in Schwingung und/oder Vibration (7, 17) zur Kühlung durch Umgebungsluft versetzt wird.
2. Elektronisches Modul (1,10) nach Anspruch 1, das Ultraschallschwingungen (7, 17) ausführt.
3. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das einen oder mehrere piezoelektrische (n) Halbleiter (4, 6) umfasst, der/die nur einseitig am Rahmen fixiert ist/sind.
4. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das einen oder mehrere piezoelektrische (n) Halbleiter (14) umfasst, der/die beidseitig am Rahmen
(12.13) fixiert ist/sind.
5. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass ein piezoelektrisches Halbleiter- Element hat, das Bewegungen im Sub-Nanometerbereich erzeugt .
6. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, das im Rahmen Öffnungen zur Belüf tung aufweist .
7. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, das parallel zu den Halbleitern eine oder mehrere Membranen (18) aufweist.
8. Elektronisches Modul (1,10) nach Anspruch 6, bei den Öffnungen im Rahmen als Lüftungsöffnungen vorgesehen sind und diese durch eine halbdurchlässige Membran bedeckt sind.
9. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem innerhalb des Moduls (10) eine oder mehrere Elemente (18) vorgesehen sind, die den durch die Schwingung und/oder Vibration (7,17) der piezoelektrischen Halbleiter (14) erzeugten Luftstrom (5, 15) verstärken.
10. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen piezoelektrischen Halbleiter (4, 6, 14) aufweist, der zumindest zum Teil aus piezoelektrischem Material ist.
11. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen piezoelektrischen Halbleiter (4, 6, 14) aufweist, der zumindest zum Teil eine piezoelektrische Oberf lächen-Beschichtung hat.
12. Elektronisches Modul (1,10) nach Anspruch 9, bei dem die piezoelektrische Oberf lächen-Beschichtung eine piezoelektrische Dünnfilm-Beschichtung ist.
13. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen piezoelektrischen Halbleiter (4, 6, 14) aufweist, der einen Bereich aufweist, auf dem Piezokristalle abgeschieden sind.
14. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass eine Wärmeleitpaste umfasst.
15. Elektronisches Modul (1,10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen metallischen Kühlkörper umfasst.
EP24702242.9A 2023-02-20 2024-01-12 Elektronisches modul und kühlsystem dazu Pending EP4639622A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023201451.3A DE102023201451A1 (de) 2023-02-20 2023-02-20 Elektronisches Modul und Kühlsystem dazu
PCT/EP2024/050722 WO2024175265A1 (de) 2023-02-20 2024-01-12 Elektronisches modul und kühlsystem dazu

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