WO2020221864A1 - Leistungselektronik-modul mit verbesserter kühlung - Google Patents

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Stefan Behrendt
Ronald Eisele
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Danfoss Silicon Power Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a power electronics module with a planar circuit carrier and an electronic assembly arranged in electrical contact on the upper flat side of the circuit carrier and a non-positive and / or positive connection with the underside of the circuit carrier thermally, i.e. Heat sink connected to the underside of the circuit carrier in a thermally conductive manner.
  • Assemblies of power electronics comprise a subrack that is pre-structured for electrical interconnection, for example a circuit board, which is equipped with components designed for high currents.
  • the assembly embodies that in operation
  • the module serves, among other things, to carry away the generated heat via a contact surface to a heat sink, the primary heat sink usually being an air or water-cooled heat sink. With high currents and insufficient cooling at the same time, the assembly threatens to be destroyed.
  • Common circuit carriers are, for example, copper stamped grids or organically or ceramically insulated circuit boards or assembly carriers that have a conductor track structure.
  • the components are electrically connected to the conductor tracks of the by means of pressed or materially connected contact elements, for example bonding wires or ribbons
  • Circuit carrier connected are either designed to be heat-spreading themselves, for example by a thick metallic layer on the underside, which is electrically isolated from the current-carrying conductors on the top by a dielectric coating, or they are ceramic with typically thin conductor tracks arranged on the top and are on a separate metallic heat spreading plate mounted.
  • heat is always spread on the underside of the circuit carrier, ie the circuit carrier can be an additionally mounted one Have a heat spreader plate or act as a heat spreader themselves.
  • the underside of the circuit carrier is in thermal contact with a primary heat sink in a force-fitting and form-fitting manner.
  • the heat is generated by ohmic losses in the assembly.
  • the assembly is usually embedded in an electrical insulation material such as silicone gel or an electrically insulating epoxy resin - or also: encapsulated, whereby the insulation material often has an equally high-quality thermal insulation. Only the external connection contacts of a power electronics module remain exposed.
  • an electrical insulation material such as silicone gel or an electrically insulating epoxy resin - or also: encapsulated, whereby the insulation material often has an equally high-quality thermal insulation. Only the external connection contacts of a power electronics module remain exposed.
  • Pulse powers are too short to directly reach the heat sink and must be temporarily absorbed in the thermal mass of the insulation material in the vicinity of the assembly.
  • Continuous power leads to a steady heat flow of the power loss through all thermally conductive materials to the heat sink along the thermal gradient.
  • the thermally conductive cement is well suited to absorbing pulse power. Its thermal conductivity (also called thermal conductivity in the following) is, however, in a range between 1 and 20 W / (m * K) and thus one to two orders of magnitude below the thermal conductivity of a common heat sink.
  • thermal conductivity also called thermal conductivity in the following
  • the heating of the power module of EP 3 066 684 B1 takes place very asymmetrically, despite the bilateral cooling of the assembly, because the majority of the heat generated is primarily given off to the heat sink on the underside of the heat spreader plate.
  • the second heat sink on the surface of the potting compound is far from being effective.
  • Power modules available on the market anyway have a one-sided, planar heat spreader plate, via which the heat is transported away only on one side to the primary heat sink, an air or water-cooled heat sink.
  • This structure is common worldwide and has established assembly sizes of the heat expansion plates on the one hand and circuit board assembly technology (through hole assembly pins) on the other, which would be costly and space-consuming to change.
  • the object of the invention is therefore to improve the efficiency of the one-sided cooling with an essentially unchanged assembly and cooling arrangement.
  • the invention is based on the knowledge that the already mentioned thermally conductive cement as casting compound offers sufficient thermal mass to absorb pulse power, but with continuous power the heat transport through the cement is not sufficient to cool those areas of the assembly that are due to the height of the
  • Components are located relatively far from the circuit carrier.
  • the heat generated there requires shorter transport paths through the cement than are currently offered according to the state of the art in order to be transported away quickly.
  • the heat conducting bridge is formed as a structure that spans the assembly and covers the entire area from a material that has a much higher thermal conductivity than the cement or the heat conducting potting compound.
  • the heat conducting bridge preferably consists of a metal, for example copper or aluminum, preferably a metal sheet, particularly preferably copper or aluminum. It is in thermal contact with the heat sink at least at the mounting points provided for this purpose, ie it can give off the heat directly to the heat sink, which the heat conducting bridge conductively brings up from the top of the assembly.
  • the heat conducting bridge is mounted by means of suitable mounting means, preferably by means of pins or screws, the mounting means particularly preferably projecting into the heat sink and the heat sink thermally connect to the thermal bridge.
  • the assembly means are in particular metallic and can particularly preferably be passed either past the circuit carrier or through it adjacent to an assembly.
  • the heat conducting bridge, but also the circuit carrier is attached to the heat sink by the mounting means.
  • the heat conduction bridge, assembly means and heat sink are specially electrically isolated from the assembly and are at an electrically neutral potential.
  • the space between the heat conducting bridge and the circuit carrier is filled with the thermally conductive potting compound and the assembly is embedded in the potting compound. This gives the possibility of a comparably good thermal connection of the assembly to the underside
  • the heat conducting bridge can also be provided with at least one projection on its side facing the assembly.
  • a projection can shorten the heat paths through the potting compound even further if the projection position and projection height are suitably predetermined and the at least one projection is formed from a material that has at least the thermal conductivity of the material of the heat conducting bridge.
  • the protrusion position of the at least one protrusion is predetermined directly above a component of the assembly, the protrusion height being set up to avoid contact as a function of the structural height of the component.
  • the protrusion from the heat-conducting bridge protrudes as close as possible to the top of a component, so that the heat generated in the component only has to traverse a short path through the potting compound before it reaches the very good heat-conducting protrusion of the heat-conducting bridge for further removal.
  • a heat conducting bridge can have a plurality of projections that are in different positions
  • each surface area would have the Assembly is approximately the same distance - and thus the heat path through the
  • the projection position of the at least one projection away from the assembly is predetermined, the projection height being set up such that the projection makes thermal contact with the circuit carrier.
  • the projection runs completely past the assembly directly to the circuit carrier, which in turn can give off heat to the heat sink.
  • the at least one projection then represents an abbreviation for the heat transport, which would otherwise take place predominantly via the assembly means. Abbreviations such as these are particularly preferred if the heat-conducting bridge is designed to be very extensive and, for example, spans and covers a plurality of adjacently arranged, electrically separated assemblies.
  • the mounting points of the heat conduction bridge can be on the edge of the power module, and a projection in the interior of the module, predetermined as an abbreviation, accelerates the heat transport to the primary heat sink. It is also possible that there is an intermediate space between the circuitry of the subassemblies, which provides free access to a jointly used heat sink or a
  • the at least one projection can also have such a position and height that it directly makes thermal contact with the heat sink or the heat spreading plate from the heat conducting bridge.
  • the heat conducting bridge according to the invention can have several projections that
  • the thermal conductivity of the potting compound is at least 3 W / (m * K).
  • the thermal conductivity of the material of the heat conducting bridge should preferably be at least 20 times the thermal conductivity of the potting compound.
  • 1 (a) the sketch of a power module with a first heat conduction bridge and (b) the sketch of a power module with a second heat conduction bridge, which has protrusions as abbreviations for the heat transport; 2 shows the sketch of a power module with three subassemblies spanned and covered over a large area by a common heat conducting bridge with projections of different functions.
  • a power electronics module is sketched as an embodiment, consisting of a circuit carrier 5 with power assembly 10, which is mounted on a heat spreader 60.
  • the heat spreader plate 60 is in turn fastened to a heat sink 20 by means of mounting means 40 (e.g. screws or pins).
  • a circumferential plastic frame 70 delimits the potting compound to the edge of the module and at the same time serves for mechanical stiffening.
  • the assembly means 40 continue to stretch the heat conducting bridge 30 over the assembly 10 on the lower heat spreader plate 60 and at the same time on the
  • the thermally conductive potting compound 50 is the thermal connection between the power loss surfaces of the power components, the contacting surfaces, including wires, ribbons and clips, and the conductor track surfaces of the power assembly 10 and the
  • Thermally conductive bridge 30 The potting compound 50 preferably fills the entire space between the thermal conductive bridge 30 and the circuit carrier 5 or heat spreading plate 60. In this way, by means of the assembly means 40, an assembly pressure is generated that is optimal for
  • FIG. 1b shows, as a variant of FIG. 1 a), initially a power module consisting of a circuit carrier 5 with a power module 10, which is mounted directly on the main heat sink 20.
  • the ceramic or organic circuit carrier 5 is in direct thermal contact with the heat sink 20.
  • the heat conducting bridge 30 is in thermal contact with the potting compound 50 and leads the heat flow to internal conductive connections 80, which protrude as protrusions 80 from the heat conducting bridge 30 and on surfaces of the circuit carrier adjacent to the assembly 10 press.
  • the assembly pressure is exerted by the assembly means 40, which are also designed here so that they transport heat from the heat conducting bridge 30 directly into the cooling body 20.
  • the plastic frame 70 is also optional and advantageous here.
  • the heat conducting bridge 30 is preferably made of highly thermally conductive materials such as copper or copper alloys or aluminum or aluminum alloys.
  • FIG. 2 shows a power electronics module consisting of three circuit carriers 5 with assemblies 10, which are mounted together on a heat spreader plate 60, adjacent and electrically separated from one another, in particular at a distance from one another.
  • the heat spreading plate 60 is in turn fastened to a heat sink 20 by means of mounting means 40.
  • the assembly means 40 stretch the heat conducting bridge 30 over all three assemblies 10 on the heat spreader plate 60 and at the same time on the
  • Heat sink 20 into which the mounting means 40 protrude.
  • the heat conducting bridge 30 is in direct thermal contact with the lower heat spreader plate 60 through the potting compound 50 via internal conductive connections 100 which protrude from the heat conducting bridge 30 as projections.
  • the contact surfaces of the projections 100 are expressly arranged next to or between the power electronic circuit 5 with the assemblies 10.
  • the projections 100 here consist, for example, of the same material as the heat conducting bridge 30.
  • Projecting height above a component is set up to avoid electrical contact as a function of the structural height of the component. This is technically easy to achieve, e.g. by an embossed bridge plate or by additionally attached thickening elements 90.
  • Aluminum with a thermal conductivity of 180 W / (m * K) allows the temperature of the semiconductor assembly to be reduced by approx. 10 ° C with continuous power.

Abstract

Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5) sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers (5) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (10) und mit der Unterseite des Schaltungsträgers (5) thermisch kontaktierten Kühlkörper (20), gekennzeichnet durch eine auf der Oberseite des Schaltungsträgers (5) angeordnete, die Baugruppe (10) überspannende und diese flächig überdeckende Wärmeleitbrücke (30), wobei die Wärmeleitbrücke (30) an benachbart der Baugruppe (10) angeordneten Montagepunkten thermisch mit dem Kühlkörper (20) kontaktiert ist und der Raum zwischen der Wärmeleitbrücke (30) und dem Schaltungsträger (5) mit wärmeleitender Vergussmasse (50) ausgefüllt ist.

Description

Leistungselektronik-Modul mit verbesserter Kühlung
Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-Modul mit einem planaren Schaltung sträger und einer auf der oberen Flachseite des Schaltung strägers elektrisch kontaktiert angeordneten elektronischen Baugruppe und einem kraft- und/oder formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers thermisch , d.h. an die Unterseite des Schaltungsträgers thermisch leitfähig angebundenen Kühlkörper.
Baugruppen der Leistungselektronik umfassen einen zur elektrischen Verschaltung vorstrukturierten Baugruppenträger, beispielsweise eine Platine, der mit auf hohe Ströme ausgelegten Bauelementen bestückt ist. Die Baugruppe verkörpert die im Betrieb
stromdurchflossenen Bestandteile eines Leistungselektronik- Moduls. Sie stellt somit eine Wärmequelle infolge der ohmschen Verlustleistung dar.
Andere Bestandteile des Moduls dienen unter anderem zum Abtransport der generierten Wärme über eine Kontaktfläche zu einer Wärmesenke, wobei die primäre Wärmesenke üblich ein luft- oder wassergekühlter Kühlkörper ist. Bei hohen Strömen und zugleich ungenügender Kühlung droht die Zerstörung der Baugruppe.
Gängige Schaltung sträger sind beispielsweise Kupfer- Stanzgitter oder organisch oder keramisch isolierte Leiterplatten bzw. Baugruppen träger, die eine Leiterbahnenstruktur aufweisen. Die Bauelemente sind durch gepresste oder stofflich verbundene Kontaktelemente, beispielsweise Bonddrähte oder Bändchen, elektrisch mit den Leiterbahnen des
Schaltungsträgers verbunden. Schaltungsträger sind entweder selbst wärmespreizend ausgelegt, beispielsweise durch eine dicke metallische Schicht auf der Unterseite, die durch eine dielektrische Beschichtung von den stromführenden Leitern der Oberseite elektrisch isoliert ist, oder sie sind keramisch ausgebildet mit auf der Oberseite angeordneten, typisch dünnen Leiterbahnen und werden auf einer separaten metallischen Wärmespreizplatte montiert.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung erfolgt eine Wärmespreizung immer an der Unterseite des Schaltungsträgers, d.h. der Schaltungsträger kann eine zusätzlich montierte Wärmespreizplatte aufweisen oder auch selbst wärmespreizend wirken. Die Unterseite des Schaltungsträgers steht kraft- und formschlüssig in thermischem Kontakt zu einer primären Wärmesenke. Auf der Oberseite des Schaltungsträgers wird demgegenüber die Wärme durch ohmsche Verluste in der Baugruppe erzeugt.
Die Baugruppe ist gängig in einem elektrischen Isolationsmaterial wie etwa Silikongel oder einem elektrisch isolierenden Epoxidharz eingebettet - oder auch: vergossen wobei das Isolationsmaterial oftmals eine ebenso hochwertige thermische Isolation aufweist. Nur die externen Anschlusskontakte eines Leistungselektronik-Moduls verbleiben frei liegend.
Der Abtransport der Wärme von der Baugruppe zum Kühlkörper findet auf zwei Zeitskalen statt: Impulsleistungen (< 1 Sekunde) und Dauerleistungen (>> 1 Sekunde). Impulsleistungen sind zu kurz, um unmittelbar die Wärmesenke zu erreichen und müssen temporär in der thermischen Masse des Isolationsmaterials in der Nähe der Baugruppe aufgenommen werden. Dauerleistungen hingegen führen zu einem stetigen Wärmestrom der Verlustleistung durch alle thermisch leitfähigen Materialien zur Wärmesenke entlang des thermischen Gradienten.
Zur Verbesserung der Kühlung wurden bereits gut wärmeleitende und zugleich elektrisch isolierende Vergussmassen als Isolationsmaterialien vorgeschlagen, beispielsweise in der DE 1 514 413 Al ein anorganischer Zement. Die Druckschrift EP 3 066 684 Bl offenbart ebenfalls einen wärmeleitenden Zement, um auf dessen Oberfläche, die oberhalb einer Baugruppe auf der Bestückungsseite der Wärmespreizplatte liegt, einen zweiten Kühlkörper in thermischem Kontakt anzuordnen (vgl. insbesondere Fig. 3 und 4 der EP 3 066 684 B 1).
Der thermisch leitende Zement ist durchaus gut geeignet, Impulsleistungen aufzunehmen. Seine Wärmeleitfähigkeit (im Folgenden auch Wärmeleitwert genannt) liegt jedoch in einem Bereich zwischen 1 und 20 W/(m*K) und damit ein bis zwei Größenordnungen unter dem Wärmeleitwert eines gängigen Kühlkörpers. Im Dauerbetrieb erfolgt das Aufheizen des Leistungsmoduls der EP 3 066 684 B 1 trotz der zweiseitigen Kühlung der Baugruppe sehr asymmetrisch, weil das Gros der erzeugten Wärme vorrangig an den Kühlkörper auf der Unterseite der Wärmespreizplatte abgegeben wird. Der zweite Kühlkörper auf der Oberfläche der Vergussmasse arbeitet also bei Weitem nicht effektiv. Am Markt erhältliche Leistungsmodule weisen ohnehin eine einseitige, plane Wärmespreizplatte auf, über die der Wärmeabtransport auch nur einseitig zur primären Wärmesenke, einem luft- oder wassergekühlten Kühlkörper, hin erfolgt. Dieser Aufbau ist weltweit üblich und besitzt etablierte Montagegrößen der Wärmespreizplatten auf der einen Seite und Platinenmontagetechnik (through hole Montage-Pins) auf der anderen, deren Änderung kosten- und platzaufwändig wäre.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Effizienz der einseitigen Kühlung bei an sich unveränderter Montage- und Kühlanordnung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Leistungselektronik-Modul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Untcransprüchc geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der bereits erwähnte wärmeleitende Zement als Vergussmasse zwar eine ausreichende thermische Masse zur Aufnahme von Impulsleistung bietet, aber bei Dauerleistung der Wärmetransport durch den Zement nicht ausreicht, um jene Bereiche der Baugruppe zu kühlen, die aufgrund der Bauhöhe der
Bauelemente relativ weit vom Schaltungsträger entfernt gelegen sind. Die dort erzeugte Wärme benötigt kürzere Transportpfade durch den Zement als nach dem Stand der Technik derzeit angeboten werden, um schnell abtransportiert zu werden.
Diese kürzeren Wärmepfade lassen sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, dass in nahem Abstand - aber ohne direkten Kontakt - zu den weit vom Schaltung sträger entfernten
Bauelementbereichen eine sehr gut wärmeleitende Wärmeleitbrücke angeordnet ist. Die Wärmeleitbrücke ist dabei als eine die Baugruppe überspannende und flächig überdeckende Struktur aus einem Material gebildet, das einen sehr viel höheren Wärmeleitwert besitzt als der Zement bzw. die wärmeleitende Vergussmasse. Bevorzugt besteht die Wärmeleitbrücke aus einem Metall, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, bevorzugt aus einem Metallblech, besonders bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Sie ist wenigstens an dazu vorgesehenen Montagepunkten mit dem Kühlkörper in thermischen Kontakt, d.h. sie kann die Wärme direkt an den Kühlkörper abgeben, welche die Wärmeleitbrücke konduktiv von der Oberseite der Baugruppe heranführt. Beispiels- und vorzugsweise ist die Wärmeleitbrücke mittels geeigneter Montagemittel, bevorzugt mittels Stiften oder Schrauben, montiert, wobei die Montagemittel besonders bevorzugt bis in den Kühlkörper hineinragen und den Kühlkörper thermisch an die Wärmeleitbrücke anbinden. Die Montagemittel sind insbesondere metallisch und können besonders bevorzugt entweder am Schaltungsträger vorbei oder benachbart zu einer Baugruppe durch ihn hindurchgeführt sein. Insbesondere wird durch die Montagemittel nicht nur die Wärmeleitbrücke, sondern auch der Schaltungsträger am Kühlkörper befestigt. Wärmeleitbrücke, Montagemittel und Kühlkörper sind speziell durchgehend elektrisch von der Baugruppe isoliert und liegen auf elektrisch neutralem Potential. Der Raum zwischen Wärmeleitbrücke und Schaltungsträger ist mit der wärmleitenden Vergussmasse ausgefüllt unter Einbettung der Baugruppe in die Vergussmasse. Es besteht dadurch die Möglichkeit der vergleichbar guten thermischen Anbindung der Baugruppe an der Unterseite zum
Schaltungsträger hin und an der Oberseite zur Wärmeleitbrücke hin, die beide die Wärme an den Kühlkörper abgeben.
Als eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist anzusehen, dass die
Wärmeleitbrücke auf ihrer der Baugruppe zugewandten Seite zusätzlich mit wenigstens einem Vorsprung versehen werden kann. Ein solcher Vorsprung kann die Wärmepfade durch die Vergussmasse noch weiter verkürzen, wenn die Vorsprungposition und Vorsprunghöhe geeignet vorbestimmt werden und der wenigstens eine Vorsprung aus einem Material gebildet ist, das wenigstens den Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke aufweist.
Beispielsweise ist es konkret von Vorteil, wenn die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs unmittelbar über einem Bauelement der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements Kontakt vermeidend eingerichtet ist. In diesem Fall ragt der Vorsprung aus der Wärmeleitbrücke möglichst nahe an die Oberseite eines Bauelementes heran, so dass die im Bauelement erzeugte Wärme nur einen kurzen Weg durch die Vergussmasse durchqueren muss, bis sie in den sehr gut wärmeleitenden Vorsprung der Wärmeleitbrücke zum weiteren Abtransport gelangt. Dabei ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, dass zwischen dem Vorsprung und dem Bauelement stets eine minimale Schichtdicke der Vergussmasse zur elektrischen Isolierung verbleibt. Aus der vorbekannten Architektur der Baugruppe und den vorbekannten Eigenschaften der Vergussmasse lässt sich präzise ermitteln, welche Vorsprungpositionen und Vorsprunghöhen an der Wärmeleitbrücke vorzubestimmen sind. Im Extremfall kann eine Wärmeleitbrücke eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweisen, die an verschiedenen Positionen mit
verschiedenen Höhen derart angeordnet sind, dass sie das Bauhöhenprofil der Baugruppe annähernd - als ein Negativ - nachbilden. In diesem Fall hätte jeder Oberflächenbereich der Baugruppe einen ungefähr gleich großen Abstand - und damit Wärmepfad durch die
Vergussmasse - zur Wärmeleitbrücke.
Weiterhin kann es konkret vorteilhaft sein, dass die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs abseits der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe so eingerichtet ist, dass der Vorsprung den Schaltungsträger thermisch kontaktiert. In dieser Variante verläuft der Vorsprung vollständig an der Baugruppe vorbei direkt zum Schaltungsträger, der wiederum Wärme an den Kühlkörper abgeben kann. Der wenigstens eine Vorsprung stellt dann eine Abkürzung für den Wärmetransport dar, der ansonsten vorwiegend über die Montagemittel erfolgen würde. Besonders bevorzugt sind solche Abkürzungen, wenn die Wärmeleitbrücke sehr ausgedehnt ausgebildet ist und beispielsweise eine Mehrzahl benachbart angeordneter, elektrisch voneinander separierter Baugruppen überspannt und flächig überdeckt. Die Montagepunkte der Wärmeleitbrücke können dabei am Rand des Leistungsmoduls liegen, und ein als Abkürzung vorbestimmter Vorsprung im Innenbereich des Moduls beschleunigt den Wärmetransport zur primären Wärmesenke. Dabei ist es auch möglich, dass zwischen den Schaltung strägem der Baugruppen ein Zwischenraum existiert, der einen freien Zugang zu einem gemeinsam genutzten Kühlkörper oder einer
Wärmespreizplatte gewährt. Dann kann der wenigstens eine Vorsprung auch eine solche Position und Höhe besitzen, dass er von der Wärmeleitbrücke aus direkt den Kühlkörper oder die Wärmespreizplatte thermisch kontaktiert.
Die erfindungsgemäße Wärmeleitbrücke kann mehrere Vorsprünge aufweisen, die
verschiedene der vorbeschriebenen Funktionen erfüllen, d.h. verschiedene Varianten sind simultan realisierbar.
Es wird als vorteilhaft angesehen, dass der Wärmeleitwert der Vergussmasse wenigstens 3 W/(m*K) beträgt. Demgegenüber soll vorzugsweise der Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke wenigstens das 20-fache des Wärmeleitwertes der Vergussmasse betragen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren verdeutlicht werden. Dabei zeigen:
Fig. 1 (a) die Skizze eines Leistungsmoduls mit einer ersten Wärmeleitbrücke und (b) die Skizze eines Leistungsmodul mit einer zweiten Wärmeleitbrücke, die Vorsprünge als Abkürzungen für den Wärmetransport besitzt; Fig. 2 die Skizze eines Leistungsmoduls mit drei Baugruppen überspannt und flächig überdeckt von einer gemeinsamen Wärmeleitbrücke mit Vorsprüngen verschiedener Funktion.
In Fig. la ist als Ausführungsbeispiel ein Leistungselektronik- Modul skizziert bestehend aus einem Schaltung sträger 5 mit Leistungsbaugruppe 10, der auf einer Wärmespreizplatte 60 montiert ist. Die Wärmespreizplatte 60 ist wiederum auf einem Kühlkörper 20 mittels Montagemitteln 40 (z.B. Schrauben oder Stifte) befestigt. Ein umlaufender Kunststoffrahmen 70 begrenzt die Vergussmasse zum Rand des Moduls und dient zugleich der mechanischen Versteifung. Die Montagemittel 40 spannen weiterhin die Wärmeleitbrücke 30 über die Baugruppe 10 hinweg auf die untere Wärmspreizplatte 60 und gleichzeitig auf den
Kühlkörper 20, in den die Montagemittel 40 hineinragen. Die wärmeleitende Vergussmasse 50 ist dabei die thermische Verbindung zwischen den verlustleistungsbehafteten Oberflächen der Leistungsbauelemente, den Kontaktierungsoberflächen, einschließlich Drähten, Bändchen und Clips, und den Leiterbahnoberflächen der Leistungsbaugruppe 10 und der
Wärmeleitbrücke 30. Die Vergussmasse 50 füllt vorzugsweise den gesamten Raum zwischen Wärmeleitbrücke 30 und Schaltung sträger 5 bzw. Wärmespreizplatte 60 aus. Auf diese Weise wird mittels der Montagemittel 40 auch ein Montagedruck erzeugt, der für optimale
Flächenpressung sorgt.
Die Fig. lb zeigt als eine Variante von Fig. 1 a) zunächst ein Leistungsmodul bestehend aus einem Schaltung sträger 5 mit Leistungsbaugruppe 10, der direkt auf den Hauptkühlkörper 20 montiert ist. Bei dieser Bauweise ist der keramische oder organische Schaltungsträger 5 unmittelbar in thermischem Kontakt zum Kühlkörper 20. Die Wärmeleitbrücke 30 steht in thermischem Kontakt mit der Vergussmasse 50 und führt den Wärmefluss zu internen Leitverbindungen 80, die als Vorsprünge 80 aus der Wärmeleitbrücke 30 hervortreten und auf Flächen des Schaltung strägers benachbart der Baugruppe 10 drücken. Der Montagedruck wird ausgeübt von den Montagemitteln 40, die auch hier so ausgestaltet sind, dass sie Wärme von der Wärmeleitbrücke 30 direkt in den Kühlkörper 20 transportieren. Optional und vorteilhaft ist auch hier der Kunststoffrahmen 70.
Die Wärmeleitbrücke 30 besteht vorzugsweise aus hoch wärmeleitenden Materialien wie Kupfer oder Kupferlegierungen oder Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Als drittes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2 ein Leistungselektronik-Modul bestehend aus drei Schaltungsträgern 5 mit Baugruppen 10, die gemeinsam auf einer Wärmespreizplatte 60 benachbart und voneinander elektrisch separiert, insbesondere zueinander beabstandet, montiert sind. Die Wärmespreizplatte 60 ist wiederum auf einem Kühlkörper 20 mittels Montagemitteln 40 befestigt. Die Montagemittel 40 spannen die Wärmeleitbrücke 30 über alle drei Baugruppen 10 hinweg auf die Wärmspreizplatte 60 und gleichzeitig auf den
Kühlkörper 20, in den die Montagemittel 40 hineinragen. Zusätzlich ist die Wärmeleitbrücke 30 über interne Leitverbindungen 100, die als Vorsprünge aus der Wärmeleitbrücke 30 hervortreten, durch die Vergussmasse 50 hindurch direkt mit der unteren Wärmespreizplatte 60 thermisch kontaktiert. Die Kontaktflächen der Vorsprünge 100 sind ausdrücklich neben bzw. zwischen den leistungselektronischen Schaltung strägem 5 mit den Baugruppen 10 angeordnet. Die Vorsprünge 100 bestehen hier beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Wärmeleitbrücke 30.
Es zeigt sich, dass der Verlustleistungswärmeabfluss noch zusätzlich verbessert werden kann, indem weitere Vorsprünge 90 der thermischen Brücke 30 direkt über den Baugruppen 10 so angeordnet werden, dass die Wärmebrücke 30 mit Vorsprüngen 90 in ihrer Kontur dem Bauhöhenprofil der Baugruppe 10 folgt, d.h. dass die Unterseiten der Vorsprünge 90 in einem weitgehend gleichbleibend vorbestimmten Abstand über den Halbleitern und Bonddrähten der Baugruppe 10 vorliegen. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die jeweilige
Vorsprunghöhe über einem Bauelement in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements elektrischen Kontakt vermeidend eingerichtet ist. Dies ist technisch leicht zu erreichen, z.B. durch eine konturgeprägte Brückenplatte oder durch zusätzlich befestigte verdickende Elemente 90.
Experimentelle Erprobungen der Kühlung mit einer Anordnung nach Art der Fig. 1 zeigen, dass sich mit einer wärmeleitenden Vergussmasse (anorganischer Zement) mit einem
Wärmeleitwert von 5 W/(m*K) und einer erfindungsgemäßen Wärmeleitbrücke aus
Aluminium mit Wärmeleitwert 180 W/(m*K) die Temperatur der Halbleiter-Baugruppe bei Dauerleistung um ca. 10 °C senken lässt.

Claims

ANSPRÜCHE
1 Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5) sowie eine auf der oberen Llachseite des Schaltung strägers (5) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (10) und mit der Unterseite des Schaltung strägers (5) thermisch kontaktierten Kühlkörper (20), gekennzeichnet durch eine auf der Oberseite des Schaltungsträgers (5) angeordnete, die Baugruppe (10) überspannende und diese flächig überdeckende Wärmeleitbrücke (30), wobei die Wärmeleitbrücke (30) an benachbart der Baugruppe (10) angeordneten
Montagepunkten thermisch mit dem Kühlkörper (20) kontaktiert ist und der Raum zwischen der Wärmeleitbrücke (30) und dem Schaltungsträger (5) mit wärmeleitender Vergussmasse (50) ausgefüllt ist.
2. Leistungselektronik- Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kühlkörper (20) kraft- und/oder formschlüssig mit der Unterseite des
Schaltungsträgers (5) thermisch kontaktiert ist.
3. Leistungselektronik- Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) aus Metall gebildet ist.
4. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) aus einem Metallblech gebildet ist.
5. Leistungselektronik- Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe (10) in der wärmeleitenden Vergussmasse eingebettet ist.
6. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) an den Montagepunkten mittels Montagemitteln (40) montiert ist, wobei die Montagemittel (40) bis in den Kühlkörper (20) hineinragen und den Kühlkörper (20) thermisch kontaktieren.
7. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Montagemittel (40) Stifte oder Schrauben sind.
8. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte oder Schrauben metallische Stifte oder Schrauben sind.
9. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbrücke (30) im montierten Zustand auf ihrer der Baugruppe (10) zugewandten Seite wenigstens einen Vorsprung (80, 90, 100) mit vorbestimmter Vorsprungposition und Vorsprunghöhe aufweist, der aus einem Material gebildet ist, das wenigstens den Wärmeleitwert des Materials der
Wärmeleitbrücke (30) aufweist.
10. Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs (90) über einem Bauelement der Baugruppe (10) vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe in Abhängigkeit der Bauhöhe des Bauelements elektrischen Kontakt vermeidend eingerichtet ist.
11. Leistungselektronik- Modul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprungposition des wenigstens einen Vorsprungs (80, 100) abseits der Baugruppe vorbestimmt ist, wobei die Vorsprunghöhe so eingerichtet ist, dass der Vorsprung den Schaltungsträger (5) thermisch kontaktiert.
12. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitwert der Vergussmasse (50) wenigstens 3 W/(m*K) beträgt.
13. Leistungselektronik- Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke (30) wenigstens das 20-fache des Wärmeleitwertes der Vergussmasse (50) beträgt.
14. Leistungselektronik-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Wärmeleitbrücke (30) eine Mehrzahl von benachbart angeordneten, elektrisch voneinander separierten Baugruppen (10) überspannt und diese flächig überdeckt.
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