WO2018055148A1 - Leistungsmodul - Google Patents

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WO2018055148A1
WO2018055148A1 PCT/EP2017/074166 EP2017074166W WO2018055148A1 WO 2018055148 A1 WO2018055148 A1 WO 2018055148A1 EP 2017074166 W EP2017074166 W EP 2017074166W WO 2018055148 A1 WO2018055148 A1 WO 2018055148A1
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power module
cooling channel
power
module according
contact piece
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PCT/EP2017/074166
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Stefan Stegmeier
Markus Schwarz
Albrecht Donat
Gerhard Mitic
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L2224/3318—Disposition being disposed on at least two different sides of the body, e.g. dual array
    • H01L2224/33181—On opposite sides of the body

Definitions

  • Power module The invention relates to a power module.
  • the power module according to the invention has at least one cooling channel and at least one power component.
  • the Leis- Processing component is arranged in the cooling channel and electrically contacted on the one hand with ⁇ at least one at least partially arranged inambakanalange- first with open-pore material contact piece (80).
  • the power component is arranged Entskyrmbar and preferably electrically contacted.
  • the power component is arranged to be heatable, in particular on a substrate traversed by cooling fluid paths and / or on a heat spreading element.
  • the power device on the other hand entracermbar and electrically contacted by electrically contacted by at least one second contact piece formed with of- fenporigem material at least partially disposed in the cooling channel.
  • the power component can be cooled on both sides by means of a cooling fluid flowing through the cooling channel and thus particularly efficiently.
  • the first and second contact piece so not only for electrical contact, but first and second contact allow due to their open porosity and a close thermal contact of the power component to a flowing through the cooling channel cooling fluid.
  • a heat dissipation can take place directly on the power component, so that the heat dissipation is particularly efficient.
  • the heat dissipation does not take place over several layers. The thermal conductivity of such layers therefore does not limit the mög ⁇ Liche heat dissipation. Rather, the heat dissipation takes place by means of the cooling channel in the component module according to the invention in closest spatial proximity to the power component.
  • open-pored in the sense of this application means that pores of the first and expedient of the two ⁇ th contact piece form on the surface of inlets through which fluid from the outside, such as a guided in the cooling channel cooling fluid in the first and second contact piece can penetrate.
  • the open-pore first and, if present, second contact piece provided for guiding cooling fluid, in particular cooling fluid are particularly suitable through their pores.
  • the open-pore material has an open-cell structure.
  • an open-cell structure allows efficient flow through the first and possibly also second contact piece, so that efficient flow and consequently heat dissipation of the power component is ensured.
  • first and - if present - second contact piece are arranged on each side facing away from the at least one power component.
  • this is at least one power component, a flat part, wherein first and second contact piece are arranged on each flat side of bathbau ⁇ part.
  • the flat sides of the power component run parallel to the flow direction of the cooling channel. In this way, a project led by the cooling channel fluid flows surface ent ⁇ long on the flat sides of the power device, so that a particularly efficient cooling of the Leis ⁇ is processing component possible.
  • Preferably / are in the power module according to the invention first and / or second contact piece cohesively, in particular ⁇ special by means of a galvanic process, electrically kontak ⁇ advantage.
  • the power module and / or second contact ⁇ piece by means of sintering and / or soldering and / or by means of diffusion soldering and / or by means of pressing and / or by means of clamps and / or by gluing, to the at least one Leis ⁇ processing component contacted.
  • a particularly good electrical contact as well as a particularly good thermal contact with the heat dissipation through the open-pored material are ensured with the mentioned methods.
  • Advantageously ⁇ example is an integrated circuit in the inventive power module the leis ⁇ processing component. Especially in the case of integrated circuits efficient heat dissipation is particularly important. Especially in this wide Erbil ⁇ dung of the invention according to the invention possible efficient heat dissipation consequently is particularly advantageous.
  • the inventive power module preferably has the open-pore material of the first and / or second contact piece ⁇ a metal sponge and / or metal foam, in particular from or with copper on.
  • Is suitably / are first in the inventive power ⁇ module and / or second contact piece of or Me ⁇ tall, in particular nickel and / or silver and / or gold and / or tin and / or copper and / or aluminum, expediently formed as a metal sponge, in particular as a copper sponge.
  • the contact piece formed with open-pore material is designed to be electrically conductive in a particularly simple manner as an electrical contact piece. At the same time, the materials mentioned allow an open-pore formation.
  • first and / or second contact piece Preferably is / are in the inventive glossmo ⁇ dul first and / or second contact piece with a woven types term and / or foam-like and / or net-like structure, particularly a structure formed as a metal mesh is formed.
  • first and / or second contact piece may be formed with a stack of lead frames. In this development, the open porosity of the first and / or second contact piece can be easily ensured.
  • this has a first substrate arranged on / in the cooling channel, which is contacted to the power component by means of the first contact piece, wherein the power module preferably has a second substrate arranged on / in the cooling channel, which by means of of the second contact piece is electrically contacted to the power component.
  • the first and / or second contact piece extend from the first and / or second substrate into the cooling channel to the power component.
  • the power module according to the invention at ⁇ least two or more power components, which are arranged along a cross section of the cooling channel and which between themselves electrically contacted and / or to one or more at least teilwei- se in the cooling channel located substrates by using offenpori ⁇ resistant material formed contact pieces are .
  • the cooling channel is filled with granules along a cross-sectional area of the cooling channel on the at least one power component. In this embodiment of the invention, it is not necessary to fill the entire cross section of theharika ⁇ nals with the open-pore material.
  • the open-pore material of the first and / or the second Kon ⁇ contact piece also make up only a portion of the cross section of the cooling channel, wherein the granules are also in those areas of the cross-sectional area of the cooling channel, which are not occupied by the open-pore material of the first and second contact piece, forms a sufficiently large flow resistance, so that a cooling channel effetströ ⁇ ing coolant flows to a significant extent through first and second contact piece.
  • the cooling channel is supplied with an electrically iso ⁇ lierenden cooling fluid, in particular with a capacitor oil and / or a silicone oil and / or a
  • fluorocarbon-based and electrically insulating liquid and / or deionized water are fluorocarbon-based and electrically insulating liquid and / or deionized water.
  • FIG. 1 shows components of a first embodiment of a power module according to the invention before the collapse construction of the power module is a schematic longitudinal sectional ⁇ ,
  • FIG. 3 shows the power module according to the invention in accordance with FIG. Fig. 2 in a second manufacturing step schematically in longitudinal section
  • Figure 4 shows the power module according to the invention.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a power module according to the of invention schematically in longitudinal section ⁇
  • Figure 6 shows another embodiment of a fiction, ⁇ power module schematically in longitudinal section
  • FIG. 7 shows the power module according to the invention in accordance with FIG. 4 with a cooling circuit schematically in longitudinal section
  • FIG. 8 shows the power module according to the invention in accordance with FIG. Fig. 4 with a gem compared to the cooling circuit. 7 different cooling circuit schematically in longitudinal section,
  • FIG. 9 shows the power module according to the invention in accordance with FIG. Fig. 4 in
  • FIG. 10 shows the power module according to the invention in accordance with FIG. Fig. 4 with a granule schematically in cross section
  • Figure 11 shows another embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN power modules schematically in longitudinal section.
  • the components of the power module of the invention illustrated in Figure 1 are combined to form an inventive crumo ⁇ dul by means of a known assembly process:
  • the components of the power module to ⁇ take a housing having parallel to the plane of the drawing horrre ⁇ print side walls 300 (shown in Figure 1 explicitly. ones shown, provides).
  • two substrates 20, 30 are arranged in the form of flat parts, which are each spaced horizontally and perpendicular to the plane of the drawing and from each other in the vertical direction and extend parallel to one another with their planar extensions.
  • the substrates 20, 30 define a cooling channel 40 of the power module for a cooling fluid of a cooling circuit of the power module.
  • power components 50, 55 are introduced into the cooling channel:
  • the power devices 50, 55 are Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), each having first and second flat sides facing away from each other, and thin-film-like extending along the first and second flat sides
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • Surface contacts 60, 65 of the power components 50, 55 which are embodied as areal chip metallizations
  • the surface contacts 60, 65 of the power components 50, 55 are each made of copper be formed from or with silver or from or with AlSiCu, other metals or other electrically conductive materials.
  • the power components 50, 55 are for electrical Maisie ⁇ tion respectively between both sides of the power components 50, 55 existing contact pieces 80, 90 of the power module inserted, which in each case between the surface contacts 60, 65 of the power component 50, 55 and surface contacts 100, 110 of Fill substrates 20, 30 located intermediate space and an electrical contacting of the surface contacts 60, 65 of the power components 50, 55 with corresponding surface contacts 100, 110 of the substrates 20, 30 accomplish.
  • the contact pieces 80, 90 as well as structurally and material-identical contact pieces 70, which surface contacts 100, 110 each have a nes substrate 20, 30 connect to each other, are each made of open-cell and offenzariaem material and realized as electrically conductive copper sponges. Due to the open-cell and open-pored structure of the contact pieces 70, 80, 90, the contact pieces 70, 80, 90 can be flowed through by cooling liquid. It is understood that in other, not specifically illustrated embodiments, which otherwise correspond to the embodiments explained with reference to the figures, the open-pore contact pieces 70, 80, 90 can also consist of other open-pored and electrically conductive materials, such as fabrics or nets or other Porous structures formed aluminum or titanium contact pieces or formed from or with other metals contact ⁇ pieces.
  • the open-pored contact pieces 70, 80, 90 can each be formed with a stack of leadframes.
  • the contact pieces are, as shown in FIG. 2, galvanically connected to surface contacts 60, 65 of the power components 50, 55 and to the electrical contact surfaces 100, 110 of the substrates 20, 30 by means of an electrolyte bath 115.
  • the cooling channel 40 is filled with electrolyte liquid.
  • All contacts 70, 80, 90 are connected to the respective surface contacts 60, 65, 100, 110, to which they each rest.
  • the contact pieces 70, 80, 90 not galvanically connected, but connected by means of sintering or soldering or diffusion soldering or pressing or clamping or gluing. After plating, the electrolyte bath 115 is discharged from the cooling channel.
  • those contact pieces 70, 90 which are connected to the upper substrate 20 are electrically insulated by wetted with an insulating layer of plastic 120 who ⁇ the.
  • the contact pieces 70, 90 are wetted by dispensing with the plastic 120.
  • the upper-side sub ⁇ strat 20 owned Dispenskanäle 125 extending in thickness direction (in accordance with the illustration. Fig. 3 vertical) through the substrate 20 extend therethrough and through which the plastic 120 is fed in the liquid state therethrough.
  • the plastic 120 is distributed in each of the Dis ⁇ penskanälen 125 adjacent contact pieces 70, 90 due to capillary forces, so that means of plastic 120 a potential separation of connected to the top substrate 20 contact pieces 70, 90 on the one hand and the other contact pieces 80 on the other hand is.
  • the plastic 120 is cured, for example by light curing as a result of the irradiation of light into the cooling channel 40 or by temperature hardening.
  • WEL ches corresponds to the illustrated, a later passed through the cooling passage 40 cooling fluid simultaneously assumes the insulation properties, so that it can be dispensed with the introduction of the insulating resin 120 as well as the Dis ⁇ penskanäle 125th
  • the power components 50, 55 are now located directly in the cooling channel 40.
  • cooling passage 40 passed cooling fluid can now Power components 50, 55 on both sides or even on all sides to ⁇ flow.
  • a heat dissipation is therefore particularly efficient.
  • the cooling channel 40 also has, as shown in FIG. 7, two end-side covers 140, 150 which close the cooling channel 40.
  • the lid 140 has an inlet 160 and the lid 150 has a let off 170 through which coolant 175 in theisserka ⁇ nal turn 40 and can be discharged.
  • Cooling channel 40 as well Inlet 160 and outlet 170 are each formed fordeganser oil.
  • Kgs ⁇ NEN also cooling liquids such as silicone oil, electric insulating oils, fluorocarbon-based, electrically insulating liquid such as are known for example under the trade name Fluorinert or deionized water are used.
  • the inlet and outlet are connected, for example, to a direct cooling circuit, in which the cooling liquid 175 discharged at the outlet 170 is cooled by means of a heat exchanger and is introduced again into the cooling channel 40 at the inlet 160.
  • the cooling channel 40 has no end caps 140, 150, but the cooling channel 40 is submerged in a refrigerant 185 in a coolant chamber 180 of the power module.
  • a cooling circuit is as shown in FIG. 8 such rea ⁇ lformat that the refrigerant chamber 180 has a steam outlet 190 which discharges the refrigerant gas 185 along the arrow P, wherein the power module further includes a condenser 200, which cools the gaseous refrigerant 185 and liquefied.
  • the power module has a refrigerant line 190, which conducts refrigerant liquefied by the condenser again along the arrow Q into an inlet 210 of the refrigerant chamber 180.
  • the entire cross section of the cooling channel 40 so the region of the cross section between the substrates 20, 30 and the side walls 300 of the housing, with the Needlesstü ⁇ bridges 70, 80, 90 open-pore material be filled to achieve a sufficient heat dissipation. Rather, it is sufficient if only part of the cross section of the contact pieces or 70, 80, 90 is taken.
  • the part of the cross section of the cooling channel 40 which is not occupied by the contact pieces 70, 80, 90 may instead be replaced by a granule which is expediently insoluble in the cooling liquid 175. lat 230 filled (Fig. 10).
  • the granules cause ei ⁇ nen sufficient flow resistance for the flowing through the cooling passage 40 cooling fluid 175.
  • ⁇ tet that the cooling liquid 175 does not flow past the contact pieces 70, 80, 90, but the contact pieces 70, 80, 90 for cooling the power components 50, 55 suitable interspersed.
  • the power ⁇ components 50, 55 are instead arranged on a 30 of the substrates 20, 30. At their side facing away from the substrate 30 Sei ⁇ th the power components 50, 55 protrude into the cooling channel 40 and are contacted at these facing away from the substrate 30 sides with open-cell and open-pore contact pieces 90. Consequently, the sides facing away from the substrate 30 are
  • Enthermbar by the contact pieces 90 are penetrated by adeka ⁇ nal flowing through the cooling liquid.
  • the substrate 30 facing sides are entracermbar over the substrate 30 itself, which is permeated with cooling fluid paths for heat dissipation (not shown ex ⁇ plicitly in Fig. 11).

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Abstract

Das Leistungsmodul weist mindestens ein Kühlkanal und mindestens ein Leistungsbauteil auf. Dabei ist das Leistungsbauteil im Kühlkanal angeordnet und einerseits mittels mindestens eines zumindest teilweise im Kühlkanal angeordneten ersten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks elektrisch kontaktiert und andererseits entwärmbar angeordnet und vorzugsweise elektrisch kontaktiert.

Description

Beschreibung
Leistungsmodul Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul.
In der Elektronik, insbesondere der Leistungselektronik, bedingen das Schalten und das Leiten von Strömen in Halbleiterbauelementen, insbesondere IGBTs, Dioden, MOSFETs etc., Ver- lustleistungen . Solche Verlustleistungen müssen von einem
Kühler aufgenommen werden, so dass sich solche Halbleiterbauelemente nicht erhitzen und ein effizienter Betrieb sicherge¬ stellt ist. Es ist bekannt, Leistungsbauelemente unterseitig durch lunkerfreies Löten, Diffusionslöten oder Sintern auf ein Substrat (DCB, AMB etc.) aufzubringen, wobei das Substrat seinerseits flächig an einen Kühler angebunden ist. Häufig ist die Kühlung dabei jedoch nicht effizient. Die daraus re¬ sultierende Erhitzung solcher Leistungsbauelemente hat regel¬ mäßig eine erhöhte Ausfallrate der Leistungsbauelemente sowie ein frühzeitiges Versagen von Isolationsmaterial infolge thermischer Degradation zur Folge. Oberseitig ist eine Kühlung von Leistungsbauelementen häufig besonders schwierig, da aufgrund der oft eingesetzten Drahtbond- oder Bändchenbond- Technologie zur elektrischen Isolation ein Material vergossen wird, welches eine thermische Energieabfuhr behindert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul be¬ reitzustellen, bei dem die Kühlung von Bauelementen verbessert ist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist mindestens einen Kühlkanal und mindestens ein Leistungsbauteil auf. Das Leis- tungsbauteil ist im Kühlkanal angeordnet und einerseits mit¬ tels mindestens eines zumindest teilweise im Kühlkanalange- ordneten ersten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks (80) elektrisch kontaktiert. Andererseits ist das Leistungsbauteil entwärmbar angeordnet und vorzugsweise elektrisch kontaktiert.
Infolge der Anordnung des Leistungsbauteils im Kühlkanal und der Anbindung mittels des mit offenporigem Material gebilde- ten Kontaktstücks kann ein durch den Kühlkanal geleitetes Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, das Kontakt¬ stück aufgrund seiner Offenporigkeit durchsetzen und somit das Leistungsbauteil beströmen. Auf diese Weise ist eine ef¬ fiziente Entwärmung des Leistungsbauteils bei dem erfindungs- gemäßen Leistungsmodul möglich.
Zusätzlich ist das Leistungsbauteil andererseits entwärmbar angeordnet, insbesondere an einem mit Kühlfluidpfaden durchzogenen Substrat und/oder an einem Wärmespreizungselement .
Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungs¬ modul das Leistungsbauteil andererseits entwärmbar angeordnet und elektrisch kontaktiert, indem es mittels zumindest eines zumindest teilweise im Kühlkanal angeordneten zweiten mit of- fenporigem Material gebildeten Kontaktstücks elektrisch kontaktiert ist. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Leistungsbauteil beidseitig mittels eines den Kühlkanal durchströmenden Kühlfluids und somit besonders effizient entwärmbar.
Erfindungsgemäß fungieren dabei in dieser Weiterbildung das erste und zweite Kontaktstück also nicht allein zur elektrischen Kontaktierung, sondern erstes und zweites Kontaktstück ermöglichen aufgrund deren Offenporigkeit auch einen engen thermischen Kontakt des Leistungsbauteils zu einem durch den Kühlkanal strömenden Kühlfluid. Auf diese Weise kann eine Wärmeabfuhr direkt am Leistungsbauteil erfolgen, sodass die Wärmeabfuhr besonders effizient erfolgt. Insbesondere muss die Wärmeabfuhr nicht über mehrere Schichten erfolgen. Die Wärmeleitfähigkeit solcher Schichten begrenzt daher die mög¬ liche Wärmeabfuhr nicht. Vielmehr erfolgt die Wärmeabfuhr mittels des Kühlkanals bei dem erfindungsgemäßen Bauteilmodul in engster räumlicher Nähe zum Leistungsbauteil. Infolge der effizienten Wärmeabfuhr sind die Ausfallsicherheit des Leis¬ tungsmoduls sowie die Beständigkeit gegebenenfalls vorhande¬ ner Isolationsmaterialien deutlich erhöht. Zweckmäßig ist unter „offenporig" im Sinne dieser Anmeldung zu verstehen, dass Poren des ersten und zweckmäßig des zwei¬ ten Kontaktstücks an deren Oberfläche Einlässe bilden, durch welche von außen Fluid, etwa ein in dem Kühlkanal geführtes Kühlfluid, ins erste und ins zweite Kontaktstück eindringen kann.
Zweckmäßigerweise sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmo¬ dul das erfindungsgemäß vorgesehene offenporige erste und - falls vorhanden - zweite Kontaktstück zur Leitung von Kühlfluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, durch ihre Poren beson- ders geeignet.
Es versteht sich, dass die Wendungen „einerseits" und „ande¬ rerseits" in diesem Zusammenhang „an einer Seite des Leistungsbauteils" sowie „an einer von der ersten Seite verschie- denen, insbesondere abgewandten, Seite des Leistungsbauteils" bedeuten .
Vorzugsweise weist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das offenporige Material eine offenzellige Struktur auf. Ins- besondere eine offenzellige Struktur erlaubt eine effiziente Durchströmung von erstem und ggf. auch zweiten Kontaktstück, sodass eine effiziente Beströmung und folglich Wärmeabfuhr des Leistungsbauteils sichergestellt ist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls sind erstes und - falls vorhanden - zweites Kontaktstück an je einander abgewandten Seiten des mindestens einen Leistungsbauteils angeordnet. Zweckmäßig ist das zumin- dest eine Leistungsbauteil ein Flachteil, wobei erstes und zweites Kontaktstück an je einer Flachseite des Leistungsbau¬ teils angeordnet sind. Besonders bevorzugt verlaufen bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Flachseiten des Leis- tungsbauteils parallel zur Strömungsrichtung des Kühlkanals. Auf diese Weise strömt ein durch den Kühlkanal geleitetes Fluid flächig an den Flachseiten des Leistungsbauteil ent¬ lang, sodass eine besonders effiziente Entwärmung des Leis¬ tungsbauteils möglich ist.
Bevorzugt ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontaktstück stoffschlüssig, insbe¬ sondere mittels eines Galvanikverfahrens, elektrisch kontak¬ tiert. Alternativ und ebenfalls bevorzugt sind bei dem erfin- dungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontakt¬ stück mittels Sintern und/oder mittels Löten und/oder mittels Diffusionslöten und/oder mittels Pressen und/oder mittels Klemmen und/oder mittels Kleben an das zumindest eine Leis¬ tungsbauteil kontaktiert. Mit den genannten Verfahren ist gleichzeitig ein besonders guter elektrischer Kontakt als auch ein besonders guter thermischer Kontakt zur Wärmeabfuhr durch das offenporige Material gewährleistet. Vorteilhafter¬ weise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Leis¬ tungsbauteil ein integrierter Schaltkreis. Gerade im Falle von integrierten Schaltkreisen ist eine effiziente Wärmeabfuhr besonders betriebswichtig. Gerade in dieser Weiterbil¬ dung der Erfindung ist folglich die erfindungsgemäß mögliche effiziente Wärmeabfuhr besonders vorteilhaft. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul weist bevorzugt das offenporige Material des ersten und/oder zweiten Kontakt¬ stücks einen Metallschwamm und/oder Metallschaum, insbesondere aus oder mit Kupfer, auf. Geeigneterweise ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungs¬ modul erstes und/oder zweites Kontaktstück aus oder mit Me¬ tall, insbesondere Nickel und/oder Silber und/oder Gold und/oder Zinn und/oder Kupfer und/oder Aluminium, zweckmäßig als Metallschwamm, insbesondere als Kupferschwamm, gebildet. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist das mit offenporigem Material gebildete Kontaktstück auf besonders einfache Weise elektrisch leitend als elektrisches Kontaktstück ausgebildet. Zugleich erlauben die genannten Materialien eine offenporige Ausbildung.
Vorzugsweise ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmo¬ dul erstes und/oder zweites Kontaktstück mit einer gewebear- tigen und/oder schaumartigen und/oder netzartigen Struktur, insbesondere einer als Metallnetz gebildeten Struktur, gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann/können erstes und/oder zweites Kontaktstück mit einem Stapel von Leiterrahmen gebildet sein. In dieser Weiterbildung lässt sich die Offenporig- keit von erstem und/oder zweiten Kontaktstück leicht gewährleisten .
In einer geeigneten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls weist dieses ein erstes am/im Kühlkanal angeord- netes Substrat auf, welches mittels des ersten Kontaktstücks an das Leistungsbauteil kontaktiert ist, wobei das Leistungs¬ modul vorzugsweise ein zweites am/im Kühlkanal angeordnetes Substrat aufweist, welches mittels des zweiten Kontaktstücks an das Leistungsbauteil elektrisch kontaktiert ist. Besonders zweckmäßig bilden/bildet das erste und/oder zweite Substrat einen Teil des Kühlkanals und/oder begrenzt/begrenzen den Kühlkanal. Vorteilhaft strecken sich erstes und/oder zweites Kontaktstück von ersten und/oder zweiten Substrat fort in den Kühlkanal zum Leistungsbauteil hinein.
Zweckmäßig weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumin¬ dest zwei oder mehrere Leistungsbauteile auf, welche entlang eines Querschnitts des Kühlkanals angeordnet sind und welche untereinander und/oder an ein oder mehrere zumindest teilwei- se im Kühlkanal befindliche Substrate mittels mit offenpori¬ gem Material gebildeten Kontaktstücken elektrisch kontaktiert sind . Bei dem Leistungsmodul ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der Kühlkanal entlang einer Querschnittsfläche des Kühlkanals am zumindest einen Leistungsbauteil mit einem Granulat gefüllt. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist es nicht erforderlich, den gesamten Querschnitt des Kühlka¬ nals mit dem offenporigen Material zu füllen. Vielmehr kann das offenporige Material des ersten und/oder des zweiten Kon¬ taktstücks auch lediglich einen Teil des Querschnitts des Kühlkanals ausmachen, wobei das Granulat auch in denjenigen Bereichen der Querschnittsfläche des Kühlkanals, welche nicht vom offenporigen Material des ersten und zweiten Kontaktstücks eingenommen werden, einen hinreichend großen Strömungswiderstand bildet, sodass eine den Kühlkanal durchströ¬ mende Kühlflüssigkeit zu einem nennenswerten Anteil durch erstes und zweites Kontaktstück hindurch strömt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist der Kühlkanal mit einem elektrisch iso¬ lierenden Kühlfluid beaufschlagt, insbesondere mit einem Kondensatoröl und/oder einem Silikonöl und/oder einer
fluorcarbonbasierten und elektrisch isolierenden Flüssigkeit und/oder deionisiertem Wasser.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei¬ gen :
Figur 1 Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls vor dem Zusammen- bau des Leistungsmoduls schematisch im Längs¬ schnitt,
Figur 2 das erfindungsgemäße Leistungsmodul nach dem Zusam¬ menbau der Komponenten gem. Fig. 1 in einem frühen Fertigungszustand in einem ersten Fertigungsschritt schematisch im Längsschnitt, Figur 3 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 2 in einem zweiten Fertigungsschritt schematisch im Längsschnitt, Figur 4 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 3
nach Abschluss der Fertigung schematisch im Längsschnitt, sowie
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemäßen Leistungsmoduls schematisch im Längs¬ schnitt,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs¬ gemäßen Leistungsmoduls schematisch im Längsschnitt
Figur 7 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 4 mit einem Kühlkreislauf schematisch im Längsschnitt,
Figur 8 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 4 mit einem im Vergleich zum Kühlkreislauf gem. Fig. 7 verschiedenen Kühlkreislauf schematisch im Längsschnitt,
Figur 9 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 4 im
Querschnitt,
Figur 10 das erfindungsgemäße Leistungsmodul gem. Fig. 4 mit einem Granulat schematisch im Querschnitt, sowie Figur 11 ein weitere Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Leistungsmodules schematisch im Längsschnitt.
Die in Figur 1 dargestellten Komponenten des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls werden mittels eines an sich bekannten Bestückungsprozesses zu einem erfindungsgemäßen Leistungsmo¬ dul zusammengefügt: Die Komponenten des Leistungsmoduls um¬ fassen ein Gehäuse mit sich parallel zur Zeichenebene erstre¬ ckenden Seitenwänden 300 (in Fig. 1 nicht explizit darge- stellt) . Zwischen diesen Seitenwänden 300 sind zwei Substrate 20, 30 in der Gestalt von Flachteilen angeordnet, welche sich mit ihren flächigen Erstreckungen jeweils horizontal und senkrecht zur Zeichenebene und voneinander in vertikaler Richtung beabstandet und zueinander parallel erstrecken. Gemeinsam mit den Seitenwänden 300 begrenzen die Substrate 20, 30 einen Kühlkanal 40 des Leistungsmoduls für ein Kühlfluid eines Kühlkreislaufes des Leistungsmoduls. Zwischen die Substrate 20, 30 sind Leistungsbauteile 50, 55 in den Kühlkanal eingebracht:
Die Leistungsbauteile 50, 55 sind Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: „Insulated-Gate Bipolar Transistor": IGBT) und weisen jeweils eine erste und eine zweite Flachseite auf, welche voneinander abgewandt sind. Entlang der ersten und zweiten Flachseite erstrecken sich dünnschichtartige Flächenkontakte 60, 65 der Leistungsbautei¬ le 50, 55, welche als flächige Chipmetallisierungen ausgebil- det sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Flächenkontakte 60, 65 der Leistungsbauteile 50, 55 jeweils aus Kupfer. Grundsätzlich können Flächenkontakte 60, 65 auch sämtlich oder zum Teil aus oder mit Silber oder aus oder mit AlSiCu, sonstigen Metallen oder anderen elektrisch leitenden Materialien gebildet sein.
Die Leistungsbauteile 50, 55 sind zur elektrischen Kontaktie¬ rung jeweils zwischen beiderseits der Leistungsbauteile 50, 55 vorhandene Kontaktstücke 80, 90 des Leistungsmoduls einge- legt, welche den jeweils zwischen den Flächenkontakten 60, 65 des Leistungsbauteils 50, 55 und Flächenkontakten 100, 110 der Substrate 20, 30 befindlichen Zwischenraum ausfüllen und eine elektrische Kontaktierung der Flächenkontakte 60, 65 der Leistungsbauteile 50, 55 mit korrespondierenden Flächenkon- takten 100, 110 der Substrate 20, 30 bewerkstelligen.
Die Kontaktstücke 80, 90 sowie struktur- und materialgleiche Kontaktstücke 70, welche Flächenkontakte 100, 110 jeweils ei- nes Substrats 20, 30 miteinander verbinden, sind jeweils aus offenporigem und offenzeiligem Material gefertigt und als elektrisch leitfähige Kupferschwämme realisiert. Aufgrund der offenzeiligen und offenporigen Struktur der Kontaktstücke 70, 80, 90 sind die Kontaktstücke 70, 80, 90 mit Kühlflüssigkeit durchströmbar. Es versteht sich, dass in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen entsprechen, die offenporigen Kontaktstücke 70, 80, 90 auch aus sonstigen offenporigen und elektrisch leitfähigen Materialien bestehen können, etwa aus Geweben oder Netzen oder sonstigen porösen Strukturen gebildete Aluminium- oder Titankontaktstücke oder aus oder mit sonstigen Metallen gebildete Kontakt¬ stücke. Beispielsweise können auch mit leitfähigen Materia- lien bereichsweise beschichtete oder mit leitfähigen Parti¬ keln versetzte Polymerschwämme als Kontaktstücke 70, 80, 90 dienen. In weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den dargestellten Ausführungsbeispielen entsprechen, können die offenporigen Kontaktstücke 70, 80, 90 jeweils mit einem Stapel von Leiterrahmen gebildet sein.
Die Kontaktstücke werden wie in Fig. 2 dargestellt galvanisch mittels eines Elektrolytbades 115 an Flächenkontakten 60, 65 der Leistungsbauteile 50, 55 sowie an die elektrische Kon- taktflächen 100, 110 der Substrate 20, 30 angebunden. Dazu wird der Kühlkanal 40 mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt. Da¬ bei wird galvanisch Kupfer an der Anlagefläche von Kontakt¬ stücken 70, 80, 90 und Kontaktflächen 100, 110 der Substrate 20, 30 sowie der Kontaktstücke 70, 80, 90 mit den Flächenkon- takten 60, 65 der Leistungsbauteile 50, 55 abgeschieden, so¬ dass die Kontaktstücke 70, 80, 90 jeweils Stoffschlüssig und elektrisch leitend an die Kontaktflächen 60, 65, 100, 110 der Substrate 20, 30 und/oder der Leistungsbauteile 50, 55 ange¬ bunden sind. Sämtliche Kontaktstücke 70, 80, 90 sind mit den jeweiligen Flächenkontakten 60, 65, 100, 110 verbunden, an welchen sie jeweils anliegen. In weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen, sind die Kontakt- stücke 70, 80, 90 nicht galvanisch angebunden, sondern mittels Sintern oder Löten oder Diffusionslöten oder Pressen oder Klemmen oder Kleben angebunden. Nach dem Galvanisieren wird das Elektrolytbad 115 aus dem Kühlkanal ausgelassen.
Da die einander abgewandten Flachseiten der Leistungsbauteile 50, 55 je nach Substrat 20, 30, an welchem sie angebunden sind, an unterschiedliche Spannungspotentiale kontaktiert sind, werden diejenigen Kontaktstücke 70, 90, welche an das obere Substrat 20 angebunden sind, elektrisch isoliert, indem sie mit einer Isolierschicht aus Kunststoff 120 benetzt wer¬ den. Die Kontaktstücke 70, 90 werden mittels Dispensens mit dem Kunststoff 120 benetzt. Dazu weist das oberseitige Sub¬ strat 20 eigene Dispenskanäle 125 auf, welche sich in Dicken- richtung (in der Darstellung gem. Fig. 3 vertikal) durch das Substrat 20 hindurch strecken und durch welche der Kunststoff 120 im flüssigen Zustand hindurch geleitet wird. Anschließend verteilt sich der Kunststoff 120 in den jeweils an den Dis¬ penskanälen 125 anliegenden Kontaktstücken 70, 90 aufgrund von Kapillarkräften, sodass mittels des Kunststoffs 120 eine Potentialtrennung von an das oberseitige Substrat 20 angebundenen Kontaktstücken 70, 90 einerseits und der übrigen Kontaktstücke 80 andererseits gewährleistet ist. Anschließend wird der Kunststoff 120 gehärtet, beispielsweise durch Lichthärtung infolge der Einstrahlung von Licht in den Kühlkanal 40 oder durch Temperaturhärtung.
In einem nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, wel- ches im Übrigen dem dargestellten entspricht, übernimmt eine später durch den Kühlkanal 40 geleitete Kühlflüssigkeit gleichzeitig die Isolationseigenschaften, sodass auf die Einbringung des isolierenden Kunststoffes 120 sowie auf die Dis¬ penskanäle 125 verzichtet werden kann.
Bei dem derart bereitgestellten Leistungsmodul sind nun die Leistungsbauteile 50, 55 direkt im Kühlkanal 40 befindlich. Durch den Kühlkanal 40 geleitetes Kühlfluid kann nun die Leistungsbauteile 50, 55 beidseitig oder sogar allseits um¬ strömen. Eine Wärmeabfuhr ist folglich besonders effizient möglich . In den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen ist es nicht notwendigerweise erforderlich, entlang eines gegebenen Querschnitts quer zum Strömungspfad des Kühlkanals nur ein einzi¬ ges Leistungsbauteil 50, 55 anzuordnen. Vielmehr können wie in Fig. 5 gezeigt auch zwei (oder mehr) Leistungsbauteile 50 durch jeweils ein offenporiges Kontaktstück 80 getrennt ent¬ lang des Querschnitts gestapelt werden, sodass sie beispiels¬ weise jeweils in der Art von Flachteilen ausgebildet sind und aufeinander in Dickenrichtung zueinander beabstandet abfol- gen, wobei der zwischenliegende Raum zwischen Flächenkontak- ten 60, 65 der Leistungsbauteile 50 mittels der offenporigen, offenzelligen Kontaktstücke 80 überbrückt wird. Auf diese Weise werden gleichzeitig mehrere Leistungsbauteile 50 ent¬ lang eines Querschnitts quer zum Strömungspfad beidseits oder allseits umströmt. Es resultiert folglich ein besonders kom- pakter Aufbau.
Alternativ oder zusätzlich können innerhalb des Kühlkanals 40 nicht nur allein weitere Leistungsbauteile 50, 55 vorhanden sein, sondern es können auch wie in Fig. 6 gezeigt ein oder mehrere weitere Substrate 130 innerhalb des Kühlkanals 40 vorhanden sein, welche mittels weiterer offenporiger und of- fenzelliger Kontaktstücke 80 an die Leistungsbauteile 50, 55 oder die Substrate 20, 30 angebunden sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist eine effiziente Kühlung der Leis- tungsbauteile 50, 55 sichergestellt und zugleich ein kompak¬ ter Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul weist der Kühlkanal 40 zudem wie in Fig. 7 gezeigt zwei stirnseitige Deckel 140, 150 auf, welche den Kühlkanal 40 schließen. Der Deckel 140 weist einen Einlass 160 und der Deckel 150 weist einen Aus- lass 170 auf, durch welche Kühlflüssigkeit 175 in den Kühlka¬ nal 40 ein- und ausgeleitet werden kann. Kühlkanal 40 sowie Einlass 160 und Auslass 170 sind jeweils für Kühlflüssigkei¬ ten in der Art von Kondensatoröl ausgebildet. Alternativ kön¬ nen auch Kühlflüssigkeiten wie Silikonöl, elektrisch isolierende Öle, fluorcarbonbasierte und elektrisch isolierende Flüssigkeiten wie sie etwa unter dem Markennamen Fluorinert bekannt sind oder deionisiertes Wasser eingesetzt werden. Einlass und Auslass sind beispielsweise an einen direkten Kühlkreislauf angeschlossen, bei welchem die am Auslass 170 ausgeleitete Kühlflüssigkeit 175 mittels eines Wärmetauschers gekühlt wird und am Einlass 160 wieder in den Kühlkanal 40 eingeleitet wird.
Alternativ kann neben einer direkten Kühlung auch eine passive Kühlung vorhanden sein: In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkanal 40 keine stirnseitigen Deckel 140, 150 auf, sondern der Kühlkanal 40 ist in einer Kältemittelkammer 180 des Leistungsmoduls in ein Kältemittel 185 eingetaucht. Ein Kühlkreislauf ist dabei wie in Fig. 8 gezeigt derart rea¬ lisiert, dass die Kältemittelkammer 180 einen Dampfauslass 190 aufweist, welche das gasförmige Kältemittel 185 entlang des Pfeils P abführt, wobei das Leistungsmodul zudem einen Kondensor 200 umfasst, welcher das gasförmige Kältemittel 185 abkühlt und verflüssigt. Zudem weist das Leistungsmodul eine Kältemittelleitung 190 auf, welche von Kondensor verflüssigtes Kältemittel wieder entlang des Pfeils Q in einen Einlass 210 der Kältemittelkammer 180 leitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul muss nicht, wie in Figur 9 gezeigt, der gesamte Querschnitt des Kühlkanals 40, also der Bereich des Querschnitts zwischen den Substraten 20, 30 und den Seitenwänden 300 des Gehäuses, mit den Kontaktstü¬ cken 70, 80, 90 offenporigen Materials ausgefüllt sein, um eine hinreichende Entwärmung zu erzielen. Vielmehr ist es hinreichend, wenn lediglich ein Teil des Querschnitts von dem oder den Kontaktstücken 70, 80, 90 eingenommen wird. Der nicht von den Kontaktstücken 70, 80, 90 belegte Teil des Querschnitts des Kühlkanals 40 kann stattdessen mit einem zweckmäßig in der Kühlflüssigkeit 175 nicht löslichen Granu- lat 230 ausgefüllt werden (Fig. 10) . Das Granulat bewirkt ei¬ nen hinreichenden Strömungswiderstand für die durch den Kühlkanal 40 strömende Kühlflüssigkeit 175. Somit ist gewährleis¬ tet, dass die Kühlflüssigkeit 175 nicht an den Kontaktstücken 70, 80, 90 vorbei strömt, sondern die Kontaktstücke 70, 80, 90 zur Entwärmung der Leistungsbauteile 50, 55 geeignet durchsetzt .
In einem weiteren in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbei- spiel des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls, welches im Übri¬ gen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, sind die Leistungsbauteile 50, 55 nicht beiderseits
umströmbar im Kühlkanal 40 angeordnet, sondern die Leistungs¬ bauteile 50, 55 sind stattdessen an einem 30 der Substrate 20, 30 angeordnet. An ihren vom Substrat 30 abgewandten Sei¬ ten ragen die Leistungsbauteile 50, 55 in den Kühlkanal 40 ein und sind an diesen vom Substrat 30 abgewandten Seiten mit offenzelligen und offenporigen Kontaktstücken 90 kontaktiert. Folglich sind die vom Substrat 30 abgewandten Seiten
entwärmbar, indem die Kontaktstücke 90 von einer den Kühlka¬ nal durchströmenden Kühlflüssigkeit durchsetzt werden. Die dem Substrat 30 zugewandten Seiten hingegen sind über das Substrat 30 selbst entwärmbar, welches (in Fig. 11 nicht ex¬ plizit gezeigt) mit Kühlfluidpfaden zur Entwärmung durchsetzt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsmodul mit mindestens einem Kühlkanal (40) und mindestens einem Leistungsbauteil (50, 55), bei welchem das Leistungsbauteil (50, 55) im Kühlkanal (40) angeordnet ist und einerseits mittels mindestens eines zumindest teilweise im Kühlkanal (40) angeordneten ersten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks (80) elektrisch kontaktiert ist und andererseits entwärmbar angeordnet und vorzugsweise elektrisch kontaktiert ist.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei welchem das Leistungs¬ bauteil andererseits entwärmbar angeordnet ist und elektrisch kontaktiert ist, indem es mittels zumindest eines zumindest teilweise im Kühlkanal (40) angeordneten zweiten mit offenpo¬ rigem Material gebildeten Kontaktstücks (90) elektrisch kontaktiert ist.
3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das offenporige Material eine offenzellige Struk¬ tur aufweist.
4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erstes (80) und zweites Kontaktstück (90) an je einander abgewandten Seiten des mindestens einen Leistungsbauteils (50, 55) angeordnet sind.
5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erstes (80) und/oder zweites Kontaktstück (90) mittels eines Galvanikverfahrens und/oder mittels Lötens und/oder Diffusionslötens und/oder Klebens und/oder Pressens und/oder Klemmens und/oder Sinterns elektrisch kontaktiert ist/sind .
6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das offenporige Material des ersten (80) und/oder zweiten Kontaktstücks (90) einen Metallschwamm und/oder Metallschaum, insbesondere aus oder mit Kupfer, aufweist.
7. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein erstes am/im Kühlkanal (40) angeordnetes Substrat (30) aufweist, welches mittels des ersten Kontaktstücks (80) an das Leistungsbauteil (50, 55) kontaktiert ist, wobei das Leistungsmodul vorzugsweise ein zweites am/im Kühlkanal (40) angeordnetes Substrat (20) aufweist, welches mittels des zweiten Kontaktstücks (90) an das Leistungsbauteil (50, 55) elektrisch kontaktiert ist.
8. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest zwei oder mehrere Leistungsbauteile (50, 55) aufweist, welche entlang eines Querschnitts des Kühlka¬ nals (40) angeordnet sind und welche untereinander oder mit einem oder mehreren in dem Kühlkanal (40) angeordneten Substrate (130) des Leistungsmoduls mittels mit offenporigem Ma¬ terial gebildeten Kontaktstücken (80) kontaktiert sind.
9. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem erstes und/oder zweites Kontaktstück (90) elekt¬ risch isoliert ist/sind.
10. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Kühlkanal (40) entlang einer
Querschnittsfläche des Kühlkanals (40) am zumindest einen Leistungsbauteil (50) mit einem Granulat gefüllt ist.
11. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Kühlkanal (40) mit einem elektrisch isolie- renden Kühlfluid beaufschlagt ist, insbesondere mit einem Kondensatoröl und/oder einem Silikonöl und/oder einer
fluorcarbonbasierten und elektrisch isolierenden Flüssigkeit und/oder deionisiertem Wasser.
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