WO2023117208A1 - Optimiertes verfahren zur anbindung von leistungsmodulen, sowie bauteil - Google Patents

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WO2023117208A1
WO2023117208A1 PCT/EP2022/081636 EP2022081636W WO2023117208A1 WO 2023117208 A1 WO2023117208 A1 WO 2023117208A1 EP 2022081636 W EP2022081636 W EP 2022081636W WO 2023117208 A1 WO2023117208 A1 WO 2023117208A1
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WO
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power module
cooling plate
heat
component
thermal
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PCT/EP2022/081636
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Inventor
Thomas Schnabel
Alexander Dietrich
Original Assignee
Magna powertrain gmbh & co kg
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks

Definitions

  • the invention relates to an optimized method for connecting power modules to a cooling plate, and a component manufactured according to the method.
  • a combination of an enlarged heat exchange surface and increased turbulence achieves an improvement in heat dissipation performance, but due to the increasing back pressure, powerful fan motors are required in order to allow sufficient air to flow through the rib channel.
  • a semiconductor chip is mounted in a package accommodating the semiconductor chip, and the semiconductor chip and the land of a connection terminal electrically connected on the inner surface of the package are packaged.
  • JP 5 409 344 A shows semiconductor devices in which a gel-like resin is filled in the package as an encapsulating material and the semiconductor chip and a connection terminal are embedded to protect the devices in the package.
  • DE 10 2020 100 385 A1 discloses a power module in which the heat sink is coupled over a large area to the underside of the carrier via a thermally conductive paste. A cut-out point is only provided on one measuring resistor.
  • US Pat. No. 5,384,683 A shows a connection to a cooling plate which extends in its entirety under the power module.
  • a control unit mounted on a common metal base with the line module is mounted separately.
  • the power module consists of a chip mounted on a printed circuit board; which is applied over the entire surface to an aluminum plate, which in turn is mounted over the entire surface with a metal layer on the metal base.
  • US Pat. No. 5,552,637 A shows a power module that is connected to a heat sink by applying two different adhesive materials to the surface. These two materials have different elasticity and thermal conductivity. The application of the two materials requires two steps with two different masks. In this prior art, connections of line modules to the heat sink are implemented over the entire surface.
  • the assembly of power modules is known from JP H09-134 983 A, with a thermally conductive paste being applied only in the area of the semiconductor components.
  • the object is achieved with a method for partial thermal contact in the area of the heat-generating components, in order to thereby achieve a cost/benefit-optimized result.
  • connection between the component to be cooled and the heat sink is made, with the main goal of saving expensive materials and process time, only in areas with increased cooling requirements and at points that are necessary for the stability of the connection.
  • the object is achieved with a method for producing a component with at least one power module that is mounted on a cooling plate, with thermal contact being established between the power module and cooling plate, with the thermal connection only taking place in the areas of the heat centers of the power module. It is advantageous that at least one support is created in addition to the thermal connections.
  • the thermal connection takes place with a sintering process.
  • the thermal connection is made with a gluing, soldering or adhesive process.
  • a template is used to define the areas of the heat centers and the at least one support and to deposit material on the cooling plate only in these areas to make the thermal connection and/or the at least one support.
  • an area is defined as the heat center whose temperature is 30-50% higher than the average temperature of the power module.
  • FIG. 1 shows a section through a power module with a thermal connection.
  • a power module 1 is installed in a housing, not shown, and forms a component 10.
  • the power module 1 sits with its surface parallel to a cooling plate 4, which is equipped with ribs 4a.
  • Any body that is used to cool the power module should be understood as a cooling plate.
  • the power module 1 is connected selectively in the area of heat centers 2 that are not evenly distributed over the surface of the power module 1 .
  • Adapted surfaces of thermally conductive material are provided as connections 5 .
  • Heat centers are areas whose temperature is more than 30-50% of the average temperature of the power module.
  • the heat centers define areas that are circular or also have any open area and require corresponding configurations of the thermal connections 5 . This reduces the thermal connection 5 to the essential areas that require appropriate cooling.
  • the thermal contact is made directly on the cooling plate or indirectly via a mounting plate or other intermediate layers.
  • supports 3 are also provided.
  • the three heat centers 2 shown are arranged on the left, so the right side of the power module would not be connected to the cooling plate 4 at all.
  • a support 3 made of the same thermally conductive material as is used for the connections 5 is therefore provided here.
  • connection 5 and supports are applied using a sintering process.
  • Silver paste is preferably used for sintering. When heat above 220° C. and a pressure of between 5 and 30 MPa are used, the silver particles of the sintering paste combine with the material of the cooling plate 4 through diffusion processes and become compacted. The pressure reduces the porosity of the bonding layer and thus increases the thermal conductivity.
  • This process enables operating temperatures of more than 250 °C, since the connecting layers remain thermo-mechanically stable and there are almost no signs of aging.
  • a stencil is placed on the cooling plate 4.
  • the silver paste is then spread or sprayed over the stencil and only applied to the intended, non-hidden areas.
  • Alternative connection methods are conventional soldering, which produces both the connections 5 locally and can therefore also produce supports 3 .
  • Adhesive bonds can also be used for thermal connection and support, as well as connector pads of an adhesive type.

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10) mit mindestens einem Leistungsmodul (1), das auf einer Kühlplatte (4) montiert ist, wobei ein thermischer Kontakt zwischen Leistungsmodul (1) und Kühlplatte (4) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung (5) nur in den Bereichen der Hitzezentren (2) des Leistungsmoduls (1) erfolgt.

Description

Optimiertes Verfahren zur Anbindung von Leistunqsmodulen, sowie Bauteil
Die Erfindung betrifft ein optimiertes Verfahren zur Anbindung von Leistungsmodulen an eine Kühlplatte, sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil.
Stand der Technik
Die steigenden Leistungsdichten von elektronischen Bauteilen benötigen zur einwandfreien Funktion der Bauteile effiziente Entwärmungskonzepte, um einen vorgegebenen Temperaturbereich zu halten.
Das physikalische Wirkprinzip der freien, natürlichen Konvektion in Luft, wird aufgrund der Geräuschlosigkeit in vielen technischen Applikationen und auch in der Leistungselektronik gerne gesehen. Typische Strangkühlkörper erreichen aufgrund von hohen Verlustleistungen oder applikationsspezifischer Randbedingungen oftmals ihre Grenzen in Form der maximal abzuführenden Wärmeleistung. Sogenannte Hochleistungskühlkörper aus Hohlrippen richten sich wegen ihres Aufbaus und ihrer Geometrie speziell an solche Anwendungsfälle.
Eine Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz erzielt eine Leistungsverbesserung bei der Wärmeabfuhr, bedarf allerdings durch den steigenden Gegendruck leistungsstarke Lüftermotoren, um den Rippenkanal ausreichend mit Luft zu durchströmen.
Die Verwendung von Radiallüftermotoren führt in Verbindung mit den Hohlrippengrundprofilen gleichfalls zu einer noch deutlicheren Leistungssteigerung der Wärmeableitung. Effiziente Flüssigkeitskühlkörper liefern eine deutliche Leistungssteigerung bei der Wärmeabfuhr leistungsstarker Halbleiterbauelemente und stellen bei diversen technischen Anwendungen eine echte Alternative zur Luftkühlung dar. I- oder U-durchströmte Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser, liefern effiziente und leistungsfähige Entwärmungskonzepte und sind bei der Wärmeabfuhr deutlich über den genannten Hochleistungslüfteraggregaten anzusiedeln. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist vierfach höher ist als die der Luft.
In herkömmlichen Halbleiterbauelementen ist ein Halbleiterchip in einem Gehäuse montiert, das den Halbleiterchip aufnimmt, und der Halbleiterchip und die Anschlussfläche eines Verbindungsanschlusses, der auf der inneren Oberfläche des Gehäuses freiliegenden Anschlusses elektrisch verbunden ist, mit verbaut.
JP 5 409 344 A zeigt Halbleiterbauelemente, bei denen ein gelartiges Harz als Verkapselungsmatenal in das Gehäuse gefüllt und der Halbleiterchip und ein Verbindungsanschluss eingebettet ist, um die Bauteile im Gehäuse zu schützen.
DE 10 2020 100 385 A1 offenbart ein Leistungsmodul, bei dem der Kühlkörper flächig über eine Wärmeleitpaste mit der Trägerunterseite gekoppelt ist. Nur an einem Messwiderstand ist eine Aussparungsstelle vorgesehen.
Die US 5 384 683 A zeigt eine Anbindung an eine Kühlplatte, die sich in ihrer Gesamtheit unter dem Leistungsmodul erstreckt. Eine mit dem Leitungsmodul auf einer gemeinsamen Metallbasis montierte Steuereinheit wird getrennt montiert. Das Leistungsmodul besteht aus einem Chip, montiert auf einer Leiterplatte; die vollflächig auf einer Aluminiumplatte aufgebracht ist, diese ist wiederum mit einer Metallschicht vollflächig auf der Metallbasis montiert.
US 5 552 637 A zeigt ein Leistungsmodul, das mit einem Kühlkörper über eine flächige Aufbringung von zwei unterschiedlichen adhäsiven Materialien verbunden ist. Diese beiden Materialien weisen unterschiedliche Elastizitäten und Wärmeleitfähigkeiten auf. Das Aufbringen der beiden Materialien erfordert zwei Schritte mit zwei unterschiedlichen Masken. In diesem Stand der Technik sind Anbindungen von Leitungsmodulen an den Kühlkörper vollflächig ausgeführt.
Diese vollflächigen Anbindungen sind überdimensioniert, da es nur punktuelle Wärmequellen am Leitungsmodul gibt und erzeugen hohe Kosten.
Aus der JP H09-134 983 A ist die Montage von Leistungsmodulen bekannt, wobei eine Wärmeleitpaste nur im Bereich der Halbleiterbauteile aufgebracht wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzustellen, das Kosten reduziert und eine optimierte thermische Anbindung erlaubt.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum partiellen, thermischem Kontaktieren im Bereich der wärmeerzeugenden Komponenten, um dadurch ein Kosten/Nutzen optimiertes Ergebnis zu erzielen.
Die Verbindung zwischen der zu entwärmenden Komponente und der Wärmesenke erfolgt, mit dem Hauptziel teure Materialien und Prozesszeit zu sparen, ausschließlich in Bereichen mit erhöhtem Entwärmungsbedarf und an Stellen die für die Stabilität der Verbindung notwendig sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Leistungsmodul, das auf einer Kühlplatte montiert ist, wobei ein thermischer Kontakt zwischen Leistungsmodul und Kühlplatte hergestellt ist, wobei die thermische Anbindung nur in den Bereichen der Hitzezentren des Leistungsmoduls erfolgt. Es ist vorteilhaft, dass zusätzlich zu den thermischen Anbindungen mindestens eine Abstützung erstellt wird.
In einem vorteilhaften Verfahren erfolgt die thermische Anbindung mit einem Sinterprozess. In einer alternativen Lösung erfolgt die thermische Anbindung mit einen Klebe-, Löt- oder adhäsiven Prozess.
Es wird eine Schablone verwendet, um die Bereiche der Hitzezentren und der mindestens eine Abstützung festzulegen und nur in diesen Bereichen auf der Kühlplatte Material zur Herstellung der thermischen Verbindung und/oder der mindestens eine Abstützung aufzubringen.
Beispielhaft ist als Hitzezentrum ein Bereich definiert, dessen Temperatur 30-50% mehr als die Durchschnittstemperatur des Leistungsmoduls beträgt.
Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Leistungsmodul mit thermischer Anbindung.
Ein Leistungsmodul 1 wird in einem nicht dargestellten Gehäuse verbaut und bildet ein Bauteil 10. Das Leistungsmodul 1 sitzt mit seiner Fläche parallel zu einer Kühlplatte 4, die mit Rippen 4a ausgestattet ist.
Als Kühlplatte soll hierbei jeder Körper verstanden werden, der zur Kühlung des Leistungsmoduls dient.
Die Anbindung des Leistungsmoduls 1 erfolgt selektiv im Bereich von Hitzezentren 2, die nicht gleichmäßig über die Fläche des Leistungsmoduls 1 verteilt sind. Als Anbindungen 5 sind dabei angepasste Flächen von Wärmeleitmaterial vorgesehen. Als Hitzezentren sind Bereiche zu verstehen, deren Temperatur mehr als 30-50% der durchschnittlichen Temperatur des Leistungsmoduls aufweist. Die Hitzezentren definieren Bereiche, die kreisförmig sind oder auch eine beliebige Freifläche aufweisen und entsprechender Ausgestaltungen der thermischen Anbindungen 5 erfordern. Damit reduziert man die thermische Anbindung 5 auf die wesentlichen Bereiche, die entsprechender Entwärmung bedürfen. Die thermische Kontaktierung erfolgt dabei direkt an der Kühlplatte oder auch indirekt über eine Montageplatte oder sonstige Zwischenlagen.
Zusätzlich zu den thermischen Anbindungen 5 sind noch Abstützungen 3 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel sind die drei gezeigten Hitzezentren 2 links angeordnet, die rechte Seite des Leistungsmoduls wäre damit gar nicht mit der Kühlplatte 4 verbunden. Daher ist hier eine Abstützung 3 aus demselben Wärmeleitmaterial wie es für die Anbindungen 5 verwendet wird, vorgesehen.
Die Anbindungen 5 und Abstützungen werden über ein Sinter-Verfahren aufgebracht. Vorzugsweise wird mit Silberpaste gesintert. Die Silberpartikel der Sinterpaste verbinden sich beim Einsatz von Wärme über 220 °C und einem Druck zwischen 5 und 30 MPa durch Diffusionsprozesse mit dem Werkstoff der Kühlplatte 4 und verdichten sich. Der Druck reduziert die Porosität der Verbindungsschicht und erhöht damit die thermische Leitfähigkeit.
Dieser Prozess ermöglicht Einsatztemperaturen von mehr als 250 °C, da die Verbindungsschichten thermomechanisch stabil bleiben und nahezu keine Alterungserscheinungen auftreten.
Vor dem Aufträgen der Silberpaste wird eine Schablone auf der Kühlplatte 4 aufgelegt. Anschließend wird die Silberpaste über die Schablone verstrichen oder versprüht und nur an den vorgesehen, nicht ausgeblendeten Stellen aufgebracht. Alternative Verbindungsmethoden sind das konventionelle Löten, das sowohl die Anbindungen 5 lokal herstellt, also auch Abstützungen 3 erzeugen kann. 5 Auch Klebverbindungen können zur thermischen Anbindung und Abstützung verwendet werden, sowie Verbinderpads adhäsiver Art.
Bezugszeichen
1 Leistungselektronik
2 Hitzezentren
3 Abstützung 4 Wärmesenke
5 Anbindung

Claims

8 Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10) mit mindestens einem Leistungsmodul (1 ), das auf einer Kühlplatte (4) montiert ist, wobei ein thermischer Kontakt zwischen Leistungsmodul (1 ) und Kühlplatte (4) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung (5) nur in den Bereichen der Hitzezentren (2) des Leistungsmoduls (1 ) erfolgt, wobei zusätzlich zu den thermischen Anbindungen (5) mindestens eine Abstützung (3) in einem Bereich des Leistungsmoduls, der ansonsten gar nicht mit der Kühlplatte (4) verbunden wäre, erstellt wird, wobei die Abstützung (3) aus demselben Wärmeleitmaterial besteht wie es für die Anbindungen (5) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung mit einem Sinterprozess erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Anbindung mit einen Klebe-, Löt- oder adhäsiven Prozess erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schablone verwendet wird, um die Bereiche der Hitzezentren (2) und der mindestens eine Abstützung (3) festzulegen und nur in diesen Bereichen auf der Kühlplatte (4) Material zur Herstellung der thermischen Verbindung (5) und/oder der mindestens eine Abstützung (3) aufzubringen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hitzezentrum einen Bereich definiert wird, dessen Temperatur 30-50% mehr als die Durchschnittstemperatur des Leistungsmoduls beträgt.
6. Bauteil (10), das mindestens ein Leistungsmodul (1 ), das auf einer Kühlplatte (4) montiert ist, umfasst, wobei das Bauteil mit dem Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 hergestellt ist.
PCT/EP2022/081636 2021-12-21 2022-11-11 Optimiertes verfahren zur anbindung von leistungsmodulen, sowie bauteil WO2023117208A1 (de)

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