DE102007050405A1 - Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul, mit einer Kühlvorrichtung und Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung an eine elektrische - Google Patents

Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul, mit einer Kühlvorrichtung und Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung an eine elektrische Download PDF

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Abstract

Die elektrische Leistungskomponente (1) weist ein flächiges Substrat (4) als Träger auf. An das Substrat (4) ist eine Kühlvorrichtung (2, 2') flächig und wärmeleitend angebunden. Diese Anbindung erfolgt mittels zumindest einer mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugten metallischen Schicht (12). Auf diese Weise ist eine gute Wärmeabfuhr von der elektrischen Leistungskomponente (1) zur Kühlvorrichtung (2, 2') gewährleistet.

Description

  • Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul, mit einer Kühlvorrichtung und Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung an eine elektrische Leistungskomponente
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Leistungskomponente, insbesondere auf ein Leistungshalbleiter-Modul, mit einer Kühlvorrichtung sowie auf ein Verfahren zur flächigen und wärmeleitenden Anbindung einer Kühlvorrichtung an die Komponente.
  • Aus der EP 0 427 143 B1 ist ein Leistungshalbleiter-Modul nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Es weist als Träger ein flächiges Substrat auf, das aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Auf der ersten Seite des Substrats ist eine metallische Schicht aufgebracht, die zur Erzeugung von Leiterbahnen strukturiert ist. Diese Strukturierung geschieht vorzugsweise über Ätzen. Weiterhin ist auf der ersten Seite eine Anzahl an Leistungshalbleitern befestigt und miteinander leitend verbunden. Auf seiner zweiten Seite ist das keramische Substrat mit einer in einem Direktverbindungsverfahren aufgebrachten Bodenmetallisierung versehen, damit ein Maßverzug aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Substrats und der metallischen strukturierten Schicht insbesondere beim Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls vermieden ist.
  • Leistungshalbleiter sind für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und hoher elektrischer Spannungen ausgelegt. Beim Betrieb eines Leistungshalbleiter-Moduls wird dieses durch Verlustwärme stark erhitzt. Dieser Effekt wurde noch dadurch verstärkt, dass im Zuge zunehmender Miniaturisierung der Leistungshalbleiter-Module die Leiterbahnendichte sukzessive erhöht wurde. Um ein ordnungsgemäßes Funktionieren eines Leistungshalbleiter-Moduls zu gewährleisten, ist daher in der Regel ein sogenanntes Entwärmungskonzept notwendig, das im Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls eine Überhitzung ausschließt. Ein derartiges Entwärmungskonzept umfasst sämtliche Maßnahmen, die zusammengefasst garantieren, dass eine Grenztemperatur eines elektrischen Schaltkreises nicht überschritten wird. Eine übliche Methode zur Entwärmung eines Leistungshalbleitermoduls besteht darin, eine Kühlvorrichtung, insbesondere in Form eines Luft- oder Fluidkühlers, mit dem Modul zu verbinden.
  • Für die Herstellung einer flächigen und wärmeleitenden Verbindung wird die Kühlvorrichtung an dem Trägersubstrat des elektrischen Schaltkreises insbesondere durch Verschraubung befestigt. Der Spalt zwischen dem elektrischen Bauteil und der Kühlvorrichtung wird mittels einer Übergangsschicht aus einer Wärmeleitpaste aufgefüllt, um den Wärmeübergang vom elektrischen Bauteil zu der Kühlvorrichtung zu verbessern. Jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste vergleichsweise schlecht, so dass die Übergangsschicht die Wärmeabfuhr zur Kühlvorrichtung hin behindert.
  • Alternativ werden das elektrische Bauteil und die Kühlvorrichtung miteinander verlötet, sodass das Lot eine metallische Übergangsschicht bildet, deren Wärmeleitfähigkeit gegenüber der Wärmeleitfähigkeit einer aus Wärmeleitpaste gebildeten Übergangsschicht stark verbessert ist. Besteht jedoch eine oder bestehen beide der angrenzenden Schichten des Trägersubstrats und/oder der Kühlvorrichtung aus einem nicht oder schwer lötbaren Werkstoff, wie z. B. Aluminium, so lässt sich ein Lötvorgang nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht durchführen. Auf der anderen Seite handelt es sich speziell bei Aluminium um einen sehr gut verarbeitbaren und vor allem gut wärmeleitenden Werkstoff. Deshalb sind oftmals die Kühlvorrichtung und/oder die auf die Kühlvorrichtung weisende Seite des elektrischen Bauteils aus Aluminium gefertigt. In diesen Fällen wird aus Kostengründen oftmals auf ein Verlöten verzichtet und auf die erste Variante mit der Wärmeleitpaste zurückgegriffen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kühlvorrichtung in verbesserter Weise flächig und wärmeleitend an eine elektrische Leistungskomponente anzubinden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Hierzu ist die Kühlvorrichtung über zumindest eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte metallische Schicht an das Substrat angebunden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich mittels eines Kaltgasspritzverfahrens metallische Schichten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit erzeugen lassen. Die Grundlagen des Kaltgasspritzverfahrens sind in der EP 0 484 533 B1 beschrieben. Weitere Einzelheiten des Kaltgasspritzverfahrens sind dem Fachartikel von J. Vlcek „Einsatzmöglichkeiten von kaltgasgespritzten Schichten in der Luft- und Raumfahrtindustrie", Galvanotechnik 3/2005, Seite 684 ff., zu entnehmen. Bei einem Kaltgasspritzverfahren werden in einen „kalten" Trägergasstrom mit einer Gastemperatur unter 800°C Spritzpartikel injiziert. Der mit den Spritzpartikeln beladene Trägergasstrom wird in einer Düse entspannt. Dadurch wird der Trägergasstrom mit den Spritzpartikeln auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die über der Schallgeschwindigkeit liegt. Die derart beschleunigten Spritzpartikel treffen auf ein zu beschichtendes Bauteil. Im Gegensatz zu den bekannten thermischen Spritzverfahren, wie Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, werden die Spritzpartikel in dem „kalten" Trägergasstrahl nicht aufgeschmolzen. Beim Aufprall auf das zu beschichtende Bauteil sind mechanische Verklammerung, Kaltverschweißen und Reibschweißprozesse für den Schichtaufbau wirksam. Auf diese Weise gehen metallische Beschichtung und Bauteil in einem gleitenden Übergang ineinander über. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Spritzpartikel entsteht eine sehr dichte und porenarme metallische Schicht. Da weiterhin die thermi sche Energie, der die Spritzpartikel ausgesetzt sind, niedrig ist, kommt es an der Partikeloberfläche der Spritzpartikel nicht oder nur kaum zu einer Oxidschichtbildung. Somit lassen sich Oxideinschlüsse, wie sie von mittels thermischem Spritzen gebildeten Schichten bekannt sind, nahezu vollständig vermeiden, wodurch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit der auf das Bauteil aufgetragenen kaltgasgespritzen Schicht bewirkt wird.
  • Durch eine kaltgasgespritzte Übergangsschicht zwischen Substrat und Kühlvorrichtung ist daher erkanntermaßen ein besonders effizienter Wärmeübergang realisierbar.
  • Auf diese Weise lassen sich bestehende Leistungshalbleiter-Module effektiv kühlen. Weiterhin gestattet die Anbindung der Kühlvorrichtung mittels einer kaltgasgespritzten Schicht an das Leistungshalbleiter-Modul auch die Entwicklung von Leistungshalbleiter-Modulen mit einem höheren Integrationsgrad, d. h., mit einer erhöhten Anzahl von Leiterbahnen je Flächeneinheit, da über die verbesserte Anbindung der Kühlvorrichtung nunmehr eine erhöhte Wärmemenge abführbar ist. Die beschriebene Anbindung einer Kühlvorrichtung ist für jede elektrische Leistungskomponente realisierbar. Unter einer elektrischen Leistungskomponente ist hier jeder elektrische Schaltkreis zu verstehen, der eine große Wärmemenge produziert, insbesondere ein Mikrocontroller oder dergleichen.
  • Die Begriffe „metallisch" und „Metall" werden dahingehend verstanden, dass die metallische Schicht sowohl aus einem elementaren Metall, als auch aus einer Metalllegierung bestehen kann.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung besteht die metallische Schicht aus einem lötbaren Metall, wobei das Substrat und die Kühlvorrichtung mittels eines an die metallische Schicht angebundenen Lotes miteinander verlötet sind. In einer vorteilhaften Variante ist hierbei die metallische Schicht flächig auf das Substrat aufgetragen. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist in einer weiteren vorteilhaften Variante die metallische Schicht flächig auf eine Kontaktfläche der Kühlvorrichtung aufgetragen. Durch das Auftragen der lötbaren metallischen Schicht wird ein nicht oder nur schlecht lötbares Bauteil, nämlich das Substrat bzw. die Kontaktfläche der Kühlvorrichtung, in ein gut lötbares Bauteil übergeführt. Die Verbindung zwischen dem Substrat und der Kühlvorrichtung mittels des Lots weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine hohe Wärmemenge vom Substrat zur Kühlvorrichtung hin abführbar ist. Je nach der zu erwartenden thermischen Belastung des Leistungshalbleiter-Moduls kann das Lot als Weichlot oder als Hartlot ausgeführt sein. Weiterhin ist es möglich, die Werkstoffkombination aus der zumindest einen lötbaren metallischen Schicht und dem Lot so aufeinander anzupassen, dass sich ein optimierter Wärmeübergang zwischen dem Substrat und der Kühlvorrichtung ergibt. Als Lote kommen beispielsweise die in dem Fachbuch von Wolfgang Bergmann, „Werkstofftechnik, Teil 2: Anwendung", Carl Hanser Verlag München, 1991, ISBN 3-446-15599-6 auf Seite 165 ff. genannten Lote in Frage.
  • In einer vorteilhaften Variante umfasst die Kühlvorrichtung einen metallischen Kühlkörper, insbesondere aus Aluminium, aus Kupfer oder aus einem anderen thermisch leitfähigen Material. Da das Lot als Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper eine besonders gute wärmeleitende Verbindung gewährleistet, lässt sich die Kühlvorrichtung von ihrer Größe und damit von ihrem Einbauvolumen her optimieren. Der Kühlkörper ist vorzugsweise in einfach herstellbarer und kostengünstiger Bauweise aus einem Strangpressprofil gefertigt.
  • Vorteilhaft ist als Kühlvorrichtung ein metallischer Rippenkühler oder ein Kühler mit mäanderförmigen Vorsprüngen vorgesehen. Die Kühlrippen bzw. die mäanderförmigen Vorsprünge sind dünn und weit vom Substrat abstehend ausführbar, so dass eine große Fläche zur Wärmeabgabe an ein Kühlmedium mittels Konvektion bereitgestellt ist.
  • In einer vorteilhaften Variante ist die Kühlvorrichtung selbst mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet. Mit anderen Worten erfolgt mittels des Kaltgasspritzverfahrens ein Materialauftrag auf das Substrat, der die Struktur der Kühlvorrichtung vorgibt. Dieser Materialauftrag kann die Struktur von Kühlrippen oder Vorsprünge nach Art von Mäandern aufweisen. Zweckmäßig lässt sich die als Kühlvorrichtung aufgetragene metallische Schicht zusätzlich konturieren, d. h., mit einer unregelmäßigen und zerklüfteten Oberfläche versehen. Auf diese Weise lässt sich die Oberfläche der Kühlvorrichtung vergrößern, so dass ein besonders guter Wärmeübergang durch Konvektion erreichbar ist.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist als Kühlvorrichtung ein Fluidkühler vorgesehen. Ein Fluid als Kühlmedium weist gegenüber Luft oder einem Gas eine bedeutend höhere Wärmekapazität auf. Mittels eines Fluidkühlers ist daher eine bedeutend größere Wärmemenge vom Leistungshalbleiter-Modul abführbar, als mittels eines Luftkühlers. Der Fluidkühler kann vorteilhaft gebildet werden, indem die Kühlrippen eines Rippenkühlers oder die Vorsprünge eines Kühlers mit mäanderförmigen Vorsprüngen zur Bildung von Strömungskanälen verschlossen werden. Der Rippenkühler oder der Kühler mit den mäanderförmigen Vorsprüngen wird zweckmäßig wie bereits weiter oben beschrieben erzeugt. Die Strömungskanäle werden gebildet, in dem benachbarte Rippen oder Vorsprünge an ihren Freiende flächig miteinander verbunden werden. Dies geschieht im einfachsten Fall durch die Befestigung eines dünnen Blechs an den Freienden der Rippen oder an den Freienden der Vorsprünge. Die Befestigung des Blechs ist hierbei beliebig. So kann das Blech durch Verschrauben oder durch Verlöten an den Freienden der Rippen oder an den Freienden der Vorsprünge befestigt sein. Auch die Freienden der Rippen oder die Freienden der Vorsprünge können mit einer lötbaren metallischen Schicht mittels Kaltgasspritzen versehen werden, um ein schlecht oder nicht lötbares Material wie Aluminium löten zu können. Dies kann fertigungstechnisch insbesondere bei einem filigranen Kühler mit dünnen Kühlrippen oder mäanderförmigen Vorsprüngen gegenüber einem Verschrauben des Blechs Vorzüge haben.
  • Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung an eine elektrische Leistungskomponente, insbesondere an ein Leistungshalbleiter-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Hierbei sind die Ausgestaltungen des Leistungshalbleiter-Moduls mit der Kühlvorrichtung und ihre Vorzüge den auf die Vorrichtung gerichteten vorstehenden Ausführungen zu entnehmen.
  • In einer zweckmäßigen Variante wird die Kühlvorrichtung mittels einer auf das Substrat reversibel aufbrachten Maske gebildet. Eine derartige Maske ist mit Ausnehmungen versehen, die das negative Abbild der zu bildenden Kühlvorrichtung darstellen. Für die Bildung der Kühlvorrichtung wird die Maske zunächst auf das Substrat aufgelegt oder am Substrat reversibel befestigt. Anschließend werden mittels einer Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere mit einer Kaltgasspritzpistole, die Ausnehmungen der Maske mit einer metallischen Schicht aufgefüllt. Somit lässt sich die Kühlvorrichtung in zeitsparender und reproduzierbarer Weise den Anforderungen einer Serienfertigung gemäß erzeugen.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die Kühlvorrichtung gebildet, indem eine Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere eine Kaltgasspritzpistole, in Bahnen über das Substrat bewegt wird. Falls eine Maske mit Ausnehmungen nach der bereits beschriebenen Weise verwendet wird, lässt sich eine Beschichtung der Maske auf diese Weise weitgehend vermeiden, so dass die Maske auch über einen längeren Zeitraum verwendbar ist. In einer anderen Variante lässt sich die Kühlvorrichtung auch ohne eine aufgelegte Maske erzeugen. Hierzu wird die Kaltgasspritzvorrichtung über bestimmte Gebiete des Substrats öfter bewegt, als über andere Gebiete, so dass im Lauf des Be schichtungsvorganges ein unregelmäßiger Materialauftrag nach Art von Rippen oder meanderförmigen Vorsprüngen gebildet ist. Wird hingegen die Kaltgasspritzvorrichtung in regelmäßigen Bahnen über das Substrat bewegt, so lässt sich ein gleichmäßiger Schichtaufbau für die Bildung einer lötbaren metallischen Schicht oder für eine Basis eines Kühlers erzeugen.
  • Zweckmäßig werden zur Erzeugung der metallischen Schicht einer oder mehrere Spritzparameter zur Beeinflussung der Schichteigenschaften vorgegeben.
  • So wird als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahrens zugrundeliegenden Trägergases, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Temperatur, herangezogen.
  • Weiterhin wird als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahren zugrundeliegenden metallischen Pulvers, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Partikelgrößenverteilung, herangezogen. Zweckmäßig wird weiterhin als Spritzparameter eine Düsengeometrie einer dem Kaltgasspritzverfahrens zugrundeliegenden Kaltgasspritzpistole herangezogen.
  • Weiterhin wird zweckmäßig ein Spritzparameter eine Eigenschaft des Substrats, insbesondere dessen Werkstoff oder dessen Temperatur während des Beschichtens herangezogen.
  • Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 schematisch ein erstes Halbleitermodul mit einer ersten Kühlvorrichtung, sowie
  • 2 schematisch ein zweites Leistungshalbleiter-Modul mit einer zweiten Kühlvorrichtung.
  • 1 zeigt ein erstes Leistungshalbleiter-Modul 1 mit einer ersten Kühlvorrichtung 2 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht. Das Leistungshalbleiter-Modul 1 umfasst ein sogenanntes DCB-Substrat 3. Das DCB-Substrat 3 weist ein flächiges Substrat 4 als Träger auf, das aus einem isolierenden keramischen Werkstoff, wie Aluminiumoxid, gefertigt ist. Auf der ersten Seite des Substrats 4 ist eine metallische und zur Erzeugung von Leiterbahnen strukturierte Schicht 5 aufgebracht. Die Schicht 5 ist aus Kupfer gefertigt. Die Leiterbahnen werden in einem Ätzverfahren erzeugt. Auf der der ersten Seite des Substrats 4 abgewandten Seite ist eine durchgängige metallische Stabilisierungsschicht 6 aufgebracht.
  • Auf der strukturierten metallischen Schicht 5 sind mehrere Leistungshalbleiter 7 mittels jeweils eines Verbindungslotes 8 durch Löten befestigt. In der geschnittenen Seitenansicht sind drei dieser Leistungshalbleiter 7 zu sehen. Die Leistungshalbleiter 7 sind untereinander und mit den Leiterbahnen der strukturierten metallischen Schicht 5 mittels Bonddrähten 9 miteinander verbunden.
  • Die Kühlvorrichtung 2 umfasst einen aus Aluminium gefertigten Rippenkühler 10. Der Rippenkühler 10 weist eine flächig ausgebildete Kontaktfläche 11 auf, die der durchgängigen metallischen Stabilisierungsschicht 6 des Leistungshalbleiter-Moduls 1 zugewandt ist. Auf die Kontaktfläche 11 des Rippenkühlers 10 ist mittels eines Kaltgasspritzverfahrens eine flächige und durchgängige metallische Schicht 12 aufgetragen. Bei diesem Kaltgasspritzverfahren ist keine Vorbereitung der Kontaktfläche 11 des Rippenkühlers 10, beispielsweise durch Sandstrahlen o. dgl., notwendig. Vielmehr ergibt sich durch mechanische Verklammerung, Kaltverschweißen und Reibschweißprozesse eine innige Verbindung zwischen der Kontaktfläche 11 und der aus Kupfer bestehenden durchgängigen metallischen Schicht 12.
  • Zur flächigen und wärmeleitenden Anbindung der Kühlvorrichtung 2 an das Substrat 4 wird die aus lötbarem Kupfer bestehende Stabilisierungsschicht 6 mit der metallischen Schicht 12 der Kontaktfläche 11 mittels eines Lots 13 aus Kupfer verlötet. Die Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter-Moduls 1 und der Kühlvorrichtung 2 weist aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Der Rippenkühler 10 weist Kühlrippen 14 auf, die sich in vertikaler Richtung 15 vom Substrat 4 und damit vom Leistungshalbleiter-Modul 1 weg erstrecken. Weiterhin verlaufen die einzelnen Kühlrippen 14 einander parallel sowie senkrecht zur Bildebene. Zwischen benachbarten Kühlrippen 14 ist somit jeweils eine Ausnehmung 16 gebildet, die ebenfalls senkrecht zur Bildebene verläuft. An den Freienden der gleich langen Kühlrippen 14 ist ein Blech 17 befestigt, das die Ausnehmungen zur Bildung von Strömungskanälen 16 abschließt. Somit ist eine Anzahl einander paralleler und senkrecht zur Bildebene verlaufender Strömungskanäle 16 gebildet. Von der Bildebene auf den Betrachter zu bzw. vom Betrachter weg sind an den Stirnseiten des Rippenkühlers 10 ein nicht dargestellter Vorlauf und ein nicht dargestellter Rücklauf zur Beaufschlagung des Rippenkühlers 10 mit einem Fluid vorgesehen. Hierzu sind der Vorlauf und der Rücklauf kastenförmig und sich jeweils über die gesamte Stirnseite erstreckend ausgebildet, so dass gleichzeitig vom Vorlauf und vom Rücklauf sämtliche Strömungskanäle 16 erfassbar sind.
  • Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung 2 noch eine in der Figur nicht dargestellte Fluidpumpe, um das Fluid durch die Strömungskanäle 16 zu pumpen.
  • Im Betrieb des Leistungshalbleiter-Moduls 1 wird die von diesem produzierte Wärme mittels Wärmeleitung von der Stabilisierungsschicht 6 aus über das Lot 13 und die metallische Schicht 12 in vertikaler Richtung 15 zum Rippenkühler 10 hin transportiert. Der Rippenkühler 10 wird somit über seine mit der metallischen Schicht 12 beschichtete Kontaktfläche 11 mit Wärme beaufschlagt, die mittels Wärmeleitung auch die einzelnen Kühlrippen 14 erwärmt. Fließt nun ein Fluid durch die Strömungskanäle 16 der Kühlvorrichtung 2, so findet ein Wärmeübergang zwischen den Oberflächen der Kühlrippen 14 und dem Fluid statt. Eine passende Dimensionierung der Kühlvorrichtung 2 vorausgesetzt, lässt sich soviel Wärme vom Leistungshalbleiter-Modul 1 abführen, dass eine Beschädigung des Leistungshalbleiter-Moduls 1 sicher vermieden ist.
  • 2 zeigt schematisch einen in einer geschnittenen Seitenansicht ein zweites Leistungshalbleiter-Modul 1, das identisch zum ersten Leistungshalbleiter-Modul aus 1 ausgeführt ist. An das zweite Leistungshalbleiter-Modul 1 schließt sich in vertikaler Richtung 15 eine zweite Kühlvorrichtung 2' an. Von dieser Kühlvorrichtung 2' ist lediglich ein Rippenkühler 10' dargestellt. Dieser Rippenkühler 10' mit Kühlrippen 14' und zwischenliegenden Ausnehmungen 16' wird gebildet, in dem mittels Kaltgasspritzens ein Materialauftrag auf der metallisch durchgängigen Schicht 6 des Substrats 4 erfolgt. Hierzu wird eine Kaltgasspritzpistole zunächst flächig über die gesamte metallische Schicht 12 zur Bildung einer flächigen Kühlerbasis bewegt. Anschließend werden die Kühlrippen 14' erzeugt, in dem die Kaltgasspritzpistole bahnartig verfahren wird. Die Kühlrippen 14' heben sich raupenartig in vertikaler Richtung 15 von der Kühlerbasis ab. Durch die Befestigung eines Bodenbleches 17 an den Freienden der Kühlrippen 14' des Rippenkühlers 10' sind wiederum aus der Bildebene heraus verlaufende, einander parallele Strömungskanäle 16' gebildet. Das Anschließen eines nicht dargestellten Vorlaufs und eines nicht dargestellten Rücklaufs zur Beaufschlagung der Strömungskanäle 16' mit einem Fluid erfolgt in der bereits zur 1 beschriebenen Weise. Insgesamt ist wiederum die zweite Kühlvorrichtung 2' gebildet durch den Rippenkühler 10', dessen Vorlauf und dessen Rücklauf, sowie eine in der 2 nicht dargestellte Fluidpumpe.
  • Der Rippenkühler 10' ist aus Kupfer gefertigt, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die direkte Anbindung des Rippenkühlers 10' an die durchgängige metallische Schicht 6 des Substrats 4 ist ein sehr guter Wärmeübergang und damit eine sehr gute Abführung der vom Leistungshalbleiter-Modul 1 produzierten Wärme erreicht.
  • Alternativ kann anstelle eines Materialauftrags zur Erzeugung des Rippenkühlers 10' auch ein Materialauftrag nach Art von mäanderförmigen Vorsprüngen erfolgen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (24)

  1. Elektrische Leistungskomponente, insbesondere Leistungshalbleiter-Modul (1), – mit einem flächigen Substrat (4) als Träger, – mit einer flächig und wärmeleitend an das Substrat angebundenen Kühlvorrichtung (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') über zumindest eine mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erzeugte metallische Schicht (12) an das Substrat (4) angebunden ist.
  2. Komponente (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) aus einem lötbaren Metall besteht und dass das Substrat (4) und die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels eines an die metallische Schicht (12) angebundenen Lots (13) miteinander verlötet sind.
  3. Komponente (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf das Substrat (4) aufgetragen ist.
  4. Komponente (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf eine Kontaktfläche (11) der Kühlvorrichtung (2, 2') aufgetragen ist.
  5. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') einen Kühlkörper (10) aus Aluminium, aus Kupfer, oder einem anderen thermisch leitfähigen Material umfasst.
  6. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') einen aus einem Strangpressprofil gefertigten Kühlkörper (10) umfasst.
  7. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen metallischen Rippenkühler (10) als Kühlvorrichtung (2, 2').
  8. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) eine konturierte Oberfläche aufweist.
  9. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet ist.
  10. Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Fluidkühler als Kühlvorrichtung (2, 2').
  11. Verfahren zum flächigen und wärmeleitenden Anbinden einer Kühlvorrichtung (2, 2') an ein als Träger wirkendes Substrat (4) einer elektrischen Leistungskomponente, insbesondere eines Leistungshalbleiter-Moduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels einer mittels eines Kaltspritzverfahrens erzeugten metallischen Schicht (12) an das Substrat (4) angebunden ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) aus einem lötbaren Metall oder aus einer lötbaren metallischen Legierung gefertigt wird und dass das Substrat (4) und die Kühlvorrichtung (2) mittels eines an die metallische Schicht (12) angebundenen Lots (13) miteinander verlötet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf das Substrat (4) aufgetragen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (12) flächig auf eine Kontaktfläche (11) der Kühlvorrichtung (2, 2') aufgetragen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der metallischen Schicht (12) konturiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels des Kaltgasspritzverfahrens gebildet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') mittels einer auf das Substrat (4) reversibel aufgebrachten Maske gebildet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (2, 2') gebildet wird, indem eine Kaltgasspritzvorrichtung, insbesondere eine Kaltgasspritzpistole, in Bahnen über die zweite Seite des Substrats (4) bewegt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der metallischen Schicht (12) einer oder mehrere Spritzparameter vorgegeben werden zur Beeinflussung der Schichteigenschaften.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltgasspritzverfahren zugrunde liegenden Trägergases, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom oder dessen Temperatur, herangezogen wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft eines dem Kaltspritzverfahren zugrunde liegenden metallischen Pulvers, insbesondere dessen chemische Zusammensetzung, dessen Massenstrom, oder dessen Partikelgrößenverteilung, herangezogen wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Düsengeometrie einer dem Kaltgasspritzverfahren zugrunde liegenden Kaltgasspritzpistole herangezogen wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzparameter eine Eigenschaft des Substrats, insbesondere dessen Werkstoff oder dessen Temperatur während des Beschichtens, herangezogen wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzparameter so gewählt wird, dass eine metallische Schicht mit einer konturierten Oberfläche erzeugt wird.
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