WO2023001637A1 - Anordnung zur kühlung eines hochvoltbauteils - Google Patents

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Sven Ebschke
Christian Hirschauer
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    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for cooling a high-voltage component, with a high-voltage component that is arranged on a circuit carrier and is coupled to a heat sink, with an insulating layer and a thermally conductive paste being arranged between the high-voltage component and the heat sink.
  • SMD surface-mounted devices
  • these components cool through the carrier substrate, i.e. through the printed circuit board.
  • the thermal resistance can become too great.
  • the resulting thermal energy is not sufficiently dissipated and the service life of the semiconductor components is reduced.
  • these devices use the underlying surface area for thermal vias or other thermal elements, reducing electrical wiring area.
  • chip manufacturers are attempting to offer components that do not dissipate their heat loss downwards into the circuit board via the soldering surface, but instead provide a metal surface on top through which the heat can be dissipated. This means that the area underneath the component can be used for additional wiring levels. Especially at high switching frequencies, this offers advantages in the
  • Thick gap pads which can be used as insulators due to their reproducible dielectric strength, are suitable for insulation.
  • thin gap pads, ceramic plates or insulating films with a defined breakdown voltage are also suitable as insulators.
  • a thermally conductive gap filler material can be used to compensate for tolerances.
  • Bonded insulation foils are usually produced very thin (minimum thicknesses of 25 gm with more than 5 kV insulation voltage are common), since they have a very poor thermal conductivity of usually below 0.5 W/(m * K) and at higher Layer thicknesses, a significant thermal resistance arises.
  • an insulating film is usually combined with a layer of gap filler material, which compensates for the tolerances.
  • this object is achieved in that the insulation layer is covered on both sides with a gap filler material. It is therefore proposed to embed the sensitive insulation layer on both sides in gap filler material in order to protect it from damage by two buffer layers.
  • the insulation layer can be formed particularly advantageously by an insulation film.
  • the inventive approach here is to place the isolation sheet between two layers of gap filler material so that it can be pushed away in either direction if the pressure becomes too great.
  • the minimum gap filler material layer can then be set according to the relationship described above and the thin insulating film can be pressed flat by a pressure plate.
  • the gap filler material thus still has the opportunity to yield further and the insulation film can no longer be punctured.
  • the gap filler material is designed in such a way that it holds the shape into which it was brought and also has adhesive properties, the foil is glued to the housing by the gap filler material after this work step.
  • gap filler dots are then applied again, into which the components dip during assembly of the printed circuit board. superfluous Material is pushed to the edge and the gap filler material crosslinks in exactly the right gap height for the respective component and its tolerances.
  • the thermal resistance Rth is about 15% lower than when an insulating film is placed or glued on as a self-adhesive variant.
  • the gap filler material binds better to the contact surfaces. Even if these are very smooth, the gap filler material can flow even better into bumps and thus wet a larger area, which leads to more effective heat transport.
  • the gap filler material is optimized with regard to its thermal conductivity and thus has a significantly better thermal resistance Rth.
  • the proposed design offers both the advantage of protecting the insulating film and a cost-effective way of improving the thermal conductivity of the connection.
  • the type of structure is of course not limited to an insulating film as an insulator, but can also be used for the thermal connection of ceramic plates.
  • the structure is then carried out in the same way here, with the difference that instead of the insulating film, one or more ceramic plates are pressed into a first layer of gap filler material, whereupon a further layer of gap filler material is then applied in a further step.
  • This type of construction has the advantage that the insulation material conducts the heat much better on the one hand and, on the other hand, that the heat is dissipated over a larger area of the heat sink by the relatively well-conducting ceramic plate. This reduces the thermal resistance due to heat spreading.
  • the application decides which type of structure is required with which thermal resistance and ultimately also the permitted costs. Because ceramic plates are good but also relatively expensive insulators.
  • FIG. 6 shows a fully assembled arrangement
  • FIG. 7 shows a high-voltage component shown in section.
  • FIGS. 1-10 To explain the structure of an arrangement for cooling a high-voltage component, different production phases of the arrangement are shown schematically in FIGS.
  • the production of the arrangement begins with a heat sink 1.1, onto which a portion of a gap filler material 1.2 is applied approximately in the middle, and with an insulating film 1.3. is covered.
  • the insulating film 2.3 is pressed parallel in the direction of the heat sink 2.1 by means of a pressure plate 2.9 shown in FIG. After this has happened, the pressure plate 2.9 is lifted again and removed.
  • a further portion of the gap filler material 3.4 is placed on the outside of the insulating film 3.3.
  • the free side of a high-voltage component 3.5 is pressed into the gap filler material 3.4.
  • the high-voltage component 3.5 is a housed SMD component whose connections 3.6 are connected electrically and mechanically to a circuit carrier 3.8 by means of soldering points 3.7.
  • the circuit carrier 3.8, 4.8 which can be embodied as a printed circuit board, thus forms an outside of the arrangement that is outlined in FIG. It can be seen that the high-voltage component 4.5 is pressed into the material of the gap filler material 4.4, which forms a predetermined layer thickness between the insulating film 4.3 and the high-voltage component 4.5. Excess gap filler material 4.4 is displaced laterally from the intermediate space between high-voltage component 4.5 and insulating film 4.3 and rests on high-voltage component 4.5 as a bead.
  • the circuit carrier 5.8 and the heat sink 5.1 are finally fixed to one another, as indicated in FIG.
  • the heat sink 5.1 has several screw domes 5.10 for adjusting the distance and for fixing the circuit carrier 5.8.
  • FIG. A layer structure can be seen, consisting of the successive layers of heat sink 6.1, a first layer of gap filler material 6.2, an insulating film 6.3, a second layer of gap filler material 6.4 and the high-voltage component 6.5, which is connected to the printed circuit board 6.8 arranged above it.
  • FIG. 7 outlines the structure of a high-voltage component 7.5, which forms a semiconductor switch by way of example.
  • the high-voltage component 7.5 has a semiconductor chip 7.11, which is surrounded by a plastic injection-molded body 7.13. Connected to the semiconductor chip 7.11 are a number of connections 7.6, which are brought out of the plastic injection-molded body 7.13. In contact with the semiconductor chip 7.11 is a metallic cooling surface 7.12, which at the same time forms part of an outer surface of the plastic injection-molded body 7.13.
  • the metallic cooling surface 7.12 rests against the second layer of the gap filler material 7.4 and is connected to the heat sink 7.1 via the insulating film 7.3 and the first layer of the gap filler material 7.2.

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Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils, mit einem Hochvoltbauteil, das auf einem Schaltungsträger angeordnet ist, und an einen Kühlkörper angekoppelt ist, wobei zwischen dem Hochvoltbauteil und dem Kühlkörper ein Gapfillermaterial und eine Isolationsschicht angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht beidseitig mit einem Gapfillermaterial belegt ist.

Description

Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils, mit einem Hochvoltbauteil, das auf einem Schaltungsträger angeordnet ist, und an einen Kühlkörper angekoppelt ist, wobei zwischen dem Hochvoltbauteil und dem Kühlkörper eine Isolationsschicht und eine wärmeleitende Paste angeordnet ist.
Aufgrund höherer Taktfrequenzen und kompakterer Bauformen steigen in der Leistungselektronik die Leistungsdichten und damit die Verlustleistungen, die aus den einzelnen Bauteilen abgeführt werden müssen.
Eine konventionelle Kühlmethode von Halbleiterbauteilen, die als Surface- Mounted Devices (SMD) ausgebildet sind, also von Bauteilen, welche über die Oberfläche montiert werden, wird über die Lötfläche realisiert. Damit kühlen diese Bauteile durch das Trägersubstrat, also durch die Leiterplatte. Gerade bei höheren Verlustleistungen ist das allerdings nicht immer ausreichend, da, je nach Trägersubstrat, der thermische Widerstand zu groß werden kann. In diesem Fall wird die entstehende Wärmeenergie nicht ausreichend abgeführt und es kommt zu einer Lebensdauerreduktion der Halbleiterbauelemente. Des Weiteren nutzten diese Bauteile die unter ihnen liegende Fläche für thermische Durchkontaktierungen (engl. VIAs) oder andere thermische Elemente, was die elektrische Verdrahtungsfläche reduziert.
Daher gibt es bei den Chipherstellern Bestrebungen, Bauteile anzubieten, die ihre Verlustwärme nicht über die Lötfläche nach unten in die Leiterplatte abgeben, sondern die an der Oberseite eine Metallfläche bereitstellen, über die die Wärme abgeführt werden kann. Dadurch kann die unter dem Bauteil liegende Fläche für weitere Verdrahtungsebenen genutzt werden. Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen bietet dies Vorteile bei der
Reduktion von Leiterbahnlängen und deren induktiven Einfluss. Ein weiterer Vorteil ist der kurze Weg zu einem gegebenenfalls vorhandenen Kühlkanal, beispielsweise wenn die Bauteile auf der Unterseite der Leiterplatte in Richtung Kühlkörper angebunden sind.
Bei Hochspannung führenden Geräte kann an diesen Kühlflächen ein hohes elektrisches Potential aus der Schaltung anliegen. Hier muss, je nach Bauteil, eine Isolation für bis zu mehreren Kilovolt gewährleistet sein, um Kurzschlüsse, beispielsweise zum Kühlkanal zu vermeiden.
Zur Isolation eignen sich dicke Gappads, die aufgrund ihrer reproduzierbaren Durchschlagsfestigkeit als Isolator verwendet werden können. Als Isolator eigenen sich alternativ auch dünne Gappads, Keramikplättchen oder Isolationsfolien mit definierter Durchschlagspannung. Zum Toleranzausgleich kann ein thermisch leitendes Gapfillermaterial verwendet werden.
In den meisten Montagevorschlägen, die auf eine Ausführung mit Gapfillermaterial und einer Isolationsfolie abzielen, wird von einer selbstklebenden Isolationsfolie ausgegangen, die entweder auf den Kühlkörper oder auf das Bauteil aufgeklebt wird.
Es kann so vorgesehen werden, eine selbstklebende Isolationsfolie auf den Kühlkörper aufzubringen, dann Gapfillermaterial aufzutragen und anschließend die Leiterplatte mit den, auf der Unterseite angelöteten, oberflächig gekühlten Halbleiterbauelementen einzudrücken und zu fixieren.
Diese Lösung ist in einem Serienprozess abbildbar. Allerdings sind die Klebstoffe, die auf dem Isolationsfilm vorab aufgebracht werden hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und der Fähigkeit, Unebenheiten zu füllen, limitiert. Reicht der sich ergebende Wärmewiderstand Rth nicht aus, so muss ein teureres Gapfillermaterial mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
Aufgeklebte Isolationsfolien werden in der Regel sehr dünn produziert (minimale Stärken von 25 gm bei mehr als 5 kV Isolationsspannung sind gängig), da sie eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit von in der Regel unter 0,5 W/(m*K) aufweisen und bei höheren Schichtdicken ein erheblicher thermischer Widerstand entsteht.
Ein wesentliches Problem besteht darin, dass diese dünnen Folien eine Isolationsfestigkeit von mehreren Kilovolt über ihre Lebenszeit realisieren müssen. Werden sie aber beispielsweise durch metallische Schmutzpartikel durchstochen, ist die Isolationsfestigkeit nicht mehr gegeben.
In derzeit gängigen Aufbauten wird also meist eine Isolationsfolie mit einer Schicht Gapfillermaterial kombiniert, die die Toleranzen ausgleicht. Diese Aufbauart kann die empfindliche Isolationsschicht allerdings nicht zuverlässig vor Beschädigungen schützen, denn diese Folienschicht wird durch minimale Verschmutzungen (25 gm = 1/40 mm!), durch thermische Ausdehnungen und durch Maximaltoleranzen einem erhöhten Stress ausgesetzt. Diese Effekte können zu elektrischen Durchbrüchen in der Isolationsfolie führen.
Es stellte sich daher die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Anordnung zur Kühlung eines Flochvoltbauteils zu schaffen, welches bei hoher Kühlleistung deutlich weniger empfindlich gegenüber Beschädigungen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Isolationsschicht beidseitig mit einem Gapfillermaterial belegt ist. Es wird somit vorgeschlagen die empfindliche Isolationsschicht beidseitig in Gapfillermaterial zu betten, um diese durch zwei Pufferschichten vor Beschädigungen zu schützen.
Besonders vorteilhaft kann die Isolationsschicht durch eine Isolationsfolie ausgebildet sein. Der erfinderische Ansatz hierbei ist, die Isolationsfolie zwischen zwei Lagen Gapfillermaterial zu platzieren, so dass sie in beide Richtungen weggedrückt werden kann, wenn der Druck zu groß wird.
Auf diese Weise wird ein sehr viel robusterer Aufbau erreicht als durch die derzeit häufig praktizierte Variante mit einer selbstklebenden Isolationsfolie.
Speziell wird vorgeschlagen, jeweils den zweifachen Wert der maximalen Partikelgröße eines Gapfillermaterials als Minimalspalt vorzusehen, um ausreichend Puffer bereit zu stellen und die Kräfte auf das Bauteil gering zu halten und das Gapfillermaterial über eine Dispensiernadel an verschiedenen Stellen als sogenannte Klebedots aufzubringen.
In einem weiteren Schritt kann dann die minimale Gapfillermaterialschicht nach oben beschriebener Relation eingestellt werden und die dünne Isolationsfolie flächig durch eine Druckplatte angepresst werden. Das Gapfillermaterial hat so noch die Möglichkeit weiter nachzugeben und die Isolationsfolie kann nicht mehr durchstochen werden.
Da das Gapfillermaterial derart ausgelegt ist, dass es eine Form hält, in die es gebracht wurde und zusätzlich auch adhäsive Eigenschaften mitbringt, ist die Folie nach diesem Arbeitsschritt durch das Gapfillermaterial an das Gehäuse angeklebt.
In einem weiteren Schritt werden dann erneut Gapfillerdots aufgebracht, in die die Bauteile bei der Montage der Leiterplatte eintauchen. Überflüssiges Material wird an den Rand verdrängt und das Gapfillermaterial vernetzt in genau der richtigen Spalthöhe für das jeweilige Bauteil und dessen Toleranzen.
In durchgeführten Tests hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass der Wärmewiderstand Rth dabei um etwa 15 % geringer ist, als wenn eine Isolationsfolie aufgelegt oder als selbstklebende Variante aufgeklebt ist.
Diese Verbesserung wird auf zwei Effekte zurückgeführt. Zum einen bindet das Gapfillermaterial besser an die Kontaktflächen an. Auch wenn diese sehr glatt sind, kann das Gapfillermaterial noch besser in Unebenheiten fließen und so eine größere Fläche benetzen, was zu einem effektiveren Wärmetransport führt.
Hinzu kommt, dass während der Klebstoff der selbstklebenden Folien wahrscheinlich vorwiegend hinsichtlich guter Klebeeigenschaften ausgelegt ist, das Gapfillermaterial hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit optimiert ist und so über einen deutlich besseren thermischen Widerstand Rth verfügt. Die vorgeschlagene Aufbauart bietet damit sowohl den Vorteil, die Isolationsfolie zu schützen als auch eine kosteneffektive Möglichkeit, die thermische Leitfähigkeit der Anbindung zu verbessern.
Die Art des Aufbaus beschränkt sich natürlich nicht nur auf eine Isolationsfolie als Isolator sondern kann auch für die thermische Anbindung von Keramikplättchen verwendet werden. Hier wird der Aufbau dann auf gleiche Weise durchgeführt, mit dem Unterschied, dass anstelle der Isolationsfolie ein bzw. mehrere Keramikplättchen in eine erste Schicht Gapfillermaterial gedrückt werden, worauf dann in einem weiteren Schritt eine weitere Schicht Gapfillermaterial appliziert wird. Diese Aufbauart hat den Vorteil, dass das Isolationsmaterial zum einen deutlich besser die Wärme leitet und zum anderen, dass die Wärme durch das relativ gutleitende Keramikplättchen auch auf einer größeren Fläche in den Kühlkörper abgegeben wird. Hierdurch wird den thermischen Widerstand durch Wärmespreizung verringert. Hierbei entscheidet die Anwendung, welche Aufbauart mit welchem thermischen Widerstand erforderlich ist und letztendlich auch die erlaubten Kosten. Denn Keramikplättchen sind gute aber auch relativ teure Isolatoren.
Nachfolgend sollen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
Figuren 1 bis 5 Montageschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung,
Figur 6 eine fertig montierte Anordnung, Figur 7 ein geschnitten dargestelltes Hochvoltbauteil.
Zur Erläuterung des Aufbaus einer Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils werden in den Figuren 1 bis 5 jeweils verschiedene Herstellungsphasen der Anordnung schematisch dargestellt.
Die Herstellung der Anordnung beginnt gemäß der Figur 1 mit einem Kühlkörper 1.1 , auf den etwa mittig eine Portion eines Gapfillermaterials 1.2 aufgetragen und mit einer Isolationsfolie 1.3. abgedeckt wird.
Mittels einer in der Figur 2 dargestellten Druckplatte 2.9 wird die Isolationsfolie 2.3 parallel in Richtung des Kühlkörpers 2.1 gepresst, wodurch das zwischen Isolationsfolie 2.3 und Kühlkörper 2.1 befindliche Gapfillermaterial 2.2 zu einer gleichmäßigen Schicht in einer gewünschten Schichtdicke verteilt wird. Nachdem dieses geschehen ist, wird die Druckplatte 2.9 wieder abgehoben und entfernt. Im nächsten Herstellungsschritt, dargestellt in der Figur 3, wird eine weitere Portion des Gapfillermaterials 3.4 auf die außenliegende Seite der Isolationsfolie 3.3 gesetzt. In das Gapfillermaterial 3.4 wird die freie Seite eines Hochvoltbauteils 3.5 gedrückt. Das Hochvoltbauteil 3.5 ist hier ein gehaustes SMD-Bauteil, dessen Anschlüsse 3.6 mittels Lötstellen 3.7 elektrisch und mechanisch mit einem Schaltungsträger 3.8 verbunden sind.
Der Schaltungsträger 3.8, 4.8, der etwa als Leiterplatte ausgeführt sein kann, bildet dadurch eine Außenseite der Anordnung, die in der Figur 4 skizziert ist. Erkennbar ist, dass das Hochvoltbauteil 4.5 in das Material des Gapfillermaterials 4.4 hineingedrückt ist, welches zwischen Isolationsfolie 4.3 und Hochvoltbauteil 4.5 eine vorgegebene Schichtdicke ausbildet. Überschüssiges Gapfillermaterial 4.4 ist seitlich aus dem Zwischenraum zwischen Hochvoltbauteil 4.5 und Isolationsfolie 4.3 verdrängt und liegt als Wulst an dem Hochvoltbauteil 4.5 an.
Der Schaltungsträger 5.8 und der Kühlkörper 5.1 werden, wie in der Figur 5 angedeutet, abschließend aneinander fixiert. Dazu weist der Kühlkörper 5.1 mehrere Anschraubdome 5.10 zum Einstellen des Abstandes und zum Fixieren des Schaltungsträgers 5.8 auf.
Die fertiggestellte Anordnung ist ausschnittsweise in der Figur 6 dargestellt. Ersichtlich ist ein Schichtaufbau, bestehend aus den aufeinander folgenden Schichten von Kühlkörper 6.1 , einer ersten Schicht Gapfillermaterial 6.2, einer Isolationsfolie 6.3, einer zweiten Schicht Gapfillermaterial 6.4 und dem Hochvoltbauteil 6.5, welches mit der darüber angeordneten Leiterplatte 6.8 verbunden ist.
Die Figur 7 skizziert in einer geschnittenen Ansicht den Aufbau eines Hochvoltbauteils 7.5, welches beispielhaft einen Halbleiterschalter ausbildet. Das Hochvoltbauteil 7.5 weist einen Halbleiterchip 7.11 auf, der von einem Kunststoffspritzgusskörper 7.13 umgeben ist. Mit dem Halbleiterchip 7.11 verbunden sind mehrere Anschlüsse 7.6, die aus dem Kunststoffspritzgusskörper 7.13 herausgeführt sind. In Kontakt mit dem Halbleiterchip 7.11 steht eine metallische Kühlfläche 7.12, welche zugleich ein Teilstück einer Außenfläche des Kunststoffspritzgusskörpers 7.13 bildet.
Bei der vollständig montierten Anordnung liegt die metallische Kühlfläche 7.12 an der zweiten Schicht des Gapfillermaterials 7.4 an und ist über die Isolationsfolie 7.3 und der ersten Schicht des Gapfillermaterials 7.2 mit dem Kühlkörper 7.1 verbunden.
Bezugszeichen
1.1 , 2.1 , 3.1 , 5.1 , 6.1 , 7.1 Kühlkörper 1.2, 2.2, 3.2, 6.2, 7.2 Gapfillermaterial (erste Schicht) 1.3, 2.3, 3.3, 4.3, 6.3, 7.3 Isolationsfolie (Isolationsschicht)
3.4, 4.4, 6.4, 7.4 Gapfillermaterial (zweite Schicht)
3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5 Hochvoltbauteil
3.6, 7.6 Anschlüsse (des Hochvoltbauteils) 3.7 Lötstelle 3.8, 4.8, 5.8, 6.8 Schaltungsträger (Leiterplatte)
2.9 Druckplatte
5.10 Anschraubdome
7.11 Halbleiterchip
7.12 Kühlfläche des Hochvoltbauteils 7.13 Kunststoffspritzgusskörper

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils (3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5), mit einem Hochvoltbauteil (3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5), das auf einem Schaltungsträger (3.8, 4.8, 5.8, 6.8) angeordnet ist, und an einen Kühlkörper (1.1, 2.1 , 3.1 , 5.1 , 6.1 , 7.1) angekoppelt ist, wobei zwischen dem Hochvoltbauteil (3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5) und dem Kühlkörper (1.1, 2.1 , 3.1 , 5.1 , 6.1 , 7.1) ein Gapfillermaterial (1.2, 2.2, 3.2, 6.2, 7.2, 3.4, 4.4, 6.4, 7.4) und eine Isolationsschicht (1.3, 2.3, 3.3, 4.3, 6.3, 7.3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1.3, 2.3, 3.3, 4.3, 6.3, 7.3) beidseitig mit einem Gapfillermaterial (1.2, 2.2, 3.2, 6.2, 7.2, 3.4, 4.4, 6.4, 7.4) belegt ist. 2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Isolationsschicht (1.3,
2.3, 3.3, 4.3, 6.3, 7.3) als Isolationsfolie ausgeführt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (1.3, 2.3, 3.3,
4.3, 6.3, 7.3) durch mindestens ein Keramikplättchen ausgeführt ist.
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