DE102016218420A1 - power module - Google Patents
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Abstract
Das Leistungsmodul weist mindestens ein Kühlkanal und mindestens ein Leistungsbauteil auf. Dabei ist das Leistungsbauteil im Kühlkanal angeordnet und einerseits mittels mindestens eines zumindest teilweise im Kühlkanal angeordneten ersten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks elektrisch kontaktiert und andererseits entwärmbar angeordnet und vorzugsweise elektrisch kontaktiert.The power module has at least one cooling channel and at least one power component. In this case, the power component is arranged in the cooling channel and on the one hand electrically contacted by means of at least one at least partially disposed in the cooling channel first formed with open-pored contact piece and on the other hand arranged Entwärmbar and preferably electrically contacted.
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. The invention relates to a power module.
In der Elektronik, insbesondere der Leistungselektronik, bedingen das Schalten und das Leiten von Strömen in Halbleiterbauelementen, insbesondere IGBTs, Dioden, MOSFETs etc., Verlustleistungen. Solche Verlustleistungen müssen von einem Kühler aufgenommen werden, so dass sich solche Halbleiterbauelemente nicht erhitzen und ein effizienter Betrieb sichergestellt ist. Es ist bekannt, Leistungsbauelemente unterseitig durch lunkerfreies Löten, Diffusionslöten oder Sintern auf ein Substrat (DCB, AMB etc.) aufzubringen, wobei das Substrat seinerseits flächig an einen Kühler angebunden ist. Häufig ist die Kühlung dabei jedoch nicht effizient. Die daraus resultierende Erhitzung solcher Leistungsbauelemente hat regelmäßig eine erhöhte Ausfallrate der Leistungsbauelemente sowie ein frühzeitiges Versagen von Isolationsmaterial infolge thermischer Degradation zur Folge. Oberseitig ist eine Kühlung von Leistungsbauelementen häufig besonders schwierig, da aufgrund der oft eingesetzten Drahtbond- oder Bändchenbond-Technologie zur elektrischen Isolation ein Material vergossen wird, welches eine thermische Energieabfuhr behindert. In electronics, in particular power electronics, the switching and the conduction of currents in semiconductor components, in particular IGBTs, diodes, MOSFETs, etc., require power losses. Such power losses must be absorbed by a cooler so that such semiconductor devices do not heat up and an efficient operation is ensured. It is known to apply power components on the underside by cavitation free soldering, diffusion soldering or sintering on a substrate (DCB, AMB etc.), wherein the substrate in turn is connected flat to a radiator. However, cooling is often not efficient. The resulting heating of such power devices regularly results in an increased failure rate of the power devices as well as premature failure of insulation material due to thermal degradation. On the upper side, cooling of power devices is often particularly difficult, because due to the often used wire bond or Bändchenbond technology for electrical insulation, a material is cast, which hinders thermal energy dissipation.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul bereitzustellen, bei dem die Kühlung von Bauelementen verbessert ist. It is therefore an object of the invention to provide a power module in which the cooling of components is improved.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. This object of the invention is achieved with a power module having the features specified in claim 1. Preferred embodiments of the invention will become apparent from the accompanying dependent claims, the following description and the drawings.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul weist mindestens einen Kühlkanal und mindestens ein Leistungsbauteil auf. Das Leistungsbauteil ist im Kühlkanal angeordnet und einerseits mittels mindestens eines zumindest teilweise im Kühlkanalangeordneten ersten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks (
Infolge der Anordnung des Leistungsbauteils im Kühlkanal und der Anbindung mittels des mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks kann ein durch den Kühlkanal geleitetes Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, das Kontaktstück aufgrund seiner Offenporigkeit durchsetzen und somit das Leistungsbauteil beströmen. Auf diese Weise ist eine effiziente Entwärmung des Leistungsbauteils bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul möglich. As a result of the arrangement of the power component in the cooling channel and the connection by means of contact piece formed with open-pored material, a cooling fluid passed through the cooling channel, in particular a cooling liquid, can pass through the contact piece due to its open porosity and thus flow the power component. In this way, efficient cooling of the power component in the power module according to the invention is possible.
Zusätzlich ist das Leistungsbauteil andererseits entwärmbar angeordnet, insbesondere an einem mit Kühlfluidpfaden durchzogenen Substrat und/oder an einem Wärmespreizungselement. In addition, on the other hand, the power component is arranged to be heatable, in particular on a substrate traversed by cooling fluid paths and / or on a heat spreading element.
Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Leistungsbauteil andererseits entwärmbar angeordnet und elektrisch kontaktiert, indem es mittels zumindest eines zumindest teilweise im Kühlkanal angeordneten zweiten mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücks elektrisch kontaktiert ist. Auf diese Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Leistungsbauteil beidseitig mittels eines den Kühlkanal durchströmenden Kühlfluids und somit besonders effizient entwärmbar. On the other hand, in the power module according to the invention, the power component is particularly preferably arranged in a heatable and electrically contacted manner, in that it is electrically contacted by means of at least one second contact piece formed with open-pored material in the cooling channel. In this way, in the case of the power module according to the invention, the power component can be cooled on both sides by means of a cooling fluid flowing through the cooling channel and thus particularly efficiently.
Erfindungsgemäß fungieren dabei in dieser Weiterbildung das erste und zweite Kontaktstück also nicht allein zur elektrischen Kontaktierung, sondern erstes und zweites Kontaktstück ermöglichen aufgrund deren Offenporigkeit auch einen engen thermischen Kontakt des Leistungsbauteils zu einem durch den Kühlkanal strömenden Kühlfluid. Auf diese Weise kann eine Wärmeabfuhr direkt am Leistungsbauteil erfolgen, sodass die Wärmeabfuhr besonders effizient erfolgt. Insbesondere muss die Wärmeabfuhr nicht über mehrere Schichten erfolgen. Die Wärmeleitfähigkeit solcher Schichten begrenzt daher die mögliche Wärmeabfuhr nicht. Vielmehr erfolgt die Wärmeabfuhr mittels des Kühlkanals bei dem erfindungsgemäßen Bauteilmodul in engster räumlicher Nähe zum Leistungsbauteil. Infolge der effizienten Wärmeabfuhr sind die Ausfallsicherheit des Leistungsmoduls sowie die Beständigkeit gegebenenfalls vorhandener Isolationsmaterialien deutlich erhöht. According to the invention act in this development, the first and second contact piece so not only for electrical contact, but first and second contact allow due to their open porosity and a close thermal contact of the power component to a flowing through the cooling channel cooling fluid. In this way, a heat dissipation can take place directly on the power component, so that the heat dissipation is particularly efficient. In particular, the heat removal does not have to take place over several layers. The thermal conductivity of such layers therefore does not limit the possible heat dissipation. Rather, the heat dissipation takes place by means of the cooling channel in the component module according to the invention in closest spatial proximity to the power component. Due to the efficient heat dissipation, the reliability of the power module as well as the resistance of any existing insulation materials are significantly increased.
Zweckmäßig ist unter „offenporig“ im Sinne dieser Anmeldung zu verstehen, dass Poren des ersten und zweckmäßig des zweiten Kontaktstücks an deren Oberfläche Einlässe bilden, durch welche von außen Fluid, etwa ein in dem Kühlkanal geführtes Kühlfluid, ins erste und ins zweite Kontaktstück eindringen kann. Zweckmäßigerweise sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das erfindungsgemäß vorgesehene offenporige erste und – falls vorhanden – zweite Kontaktstück zur Leitung von Kühlfluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, durch ihre Poren besonders geeignet. Advantageously, "open-pored" in the sense of this application means that pores of the first and expedient of the second contact piece form inlets on their surface through which fluid, such as a cooling fluid guided in the cooling channel, can penetrate into the first and the second contact piece , Expediently, in the case of the power module according to the invention, the open-pore first and, if present, second contact piece provided according to the invention are particularly suitable for conducting cooling fluid, in particular cooling fluid, through their pores.
Es versteht sich, dass die Wendungen „einerseits“ und „andererseits“ in diesem Zusammenhang „an einer Seite des Leistungsbauteils“ sowie „an einer von der ersten Seite verschiedenen, insbesondere abgewandten, Seite des Leistungsbauteils“ bedeuten. It is understood that the turns "on the one hand" and "on the other hand" in this context mean "on one side of the power component" and "on a side of the power component that is different from the first side and, in particular, averted.
Vorzugsweise weist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das offenporige Material eine offenzellige Struktur auf. Insbesondere eine offenzellige Struktur erlaubt eine effiziente Durchströmung von erstem und ggf. auch zweiten Kontaktstück, sodass eine effiziente Beströmung und folglich Wärmeabfuhr des Leistungsbauteils sichergestellt ist. Preferably, in the power module according to the invention, the open-pore material has an open-cell structure. In particular, one open-cell structure allows efficient flow through the first and possibly also second contact piece, so that an efficient flow and thus heat dissipation of the power device is ensured.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls sind erstes und – falls vorhanden – zweites Kontaktstück an je einander abgewandten Seiten des mindestens einen Leistungsbauteils angeordnet. Zweckmäßig ist das zumindest eine Leistungsbauteil ein Flachteil, wobei erstes und zweites Kontaktstück an je einer Flachseite des Leistungsbauteils angeordnet sind. Besonders bevorzugt verlaufen bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Flachseiten des Leistungsbauteils parallel zur Strömungsrichtung des Kühlkanals. Auf diese Weise strömt ein durch den Kühlkanal geleitetes Fluid flächig an den Flachseiten des Leistungsbauteil entlang, sodass eine besonders effiziente Entwärmung des Leistungsbauteils möglich ist. In an advantageous development of the power module according to the invention first and - if present - second contact piece are arranged on each side facing away from the at least one power component. Suitably, the at least one power component is a flat part, wherein first and second contact piece are arranged on a respective flat side of the power component. Particularly preferably, in the power module according to the invention, the flat sides of the power component run parallel to the flow direction of the cooling channel. In this way, a fluid conducted through the cooling channel flows flat over the flat sides of the power component, so that particularly efficient cooling of the power component is possible.
Bevorzugt ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontaktstück stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Galvanikverfahrens, elektrisch kontaktiert. Alternativ und ebenfalls bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontaktstück mittels Sintern und/oder mittels Löten und/oder mittels Diffusionslöten und/oder mittels Pressen und/oder mittels Klemmen und/oder mittels Kleben an das zumindest eine Leistungsbauteil kontaktiert. Mit den genannten Verfahren ist gleichzeitig ein besonders guter elektrischer Kontakt als auch ein besonders guter thermischer Kontakt zur Wärmeabfuhr durch das offenporige Material gewährleistet. Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Leistungsbauteil ein integrierter Schaltkreis. Gerade im Falle von integrierten Schaltkreisen ist eine effiziente Wärmeabfuhr besonders betriebswichtig. Gerade in dieser Weiterbildung der Erfindung ist folglich die erfindungsgemäß mögliche effiziente Wärmeabfuhr besonders vorteilhaft. Preferably, in the power module according to the invention, first and / or second contact piece are / are electrically bonded, in particular by means of a galvanic process. Alternatively and also preferably, in the power module according to the invention, first and / or second contact pieces are contacted to the at least one power component by means of sintering and / or by means of diffusion soldering and / or by means of pressing and / or by means of clamping and / or gluing. At the same time, a particularly good electrical contact as well as a particularly good thermal contact with the heat dissipation through the open-pored material are ensured with the mentioned methods. Advantageously, in the power module according to the invention, the power component is an integrated circuit. Especially in the case of integrated circuits efficient heat dissipation is particularly important. Especially in this embodiment of the invention, therefore, the present invention possible efficient heat dissipation is particularly advantageous.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul weist bevorzugt das offenporige Material des ersten und/oder zweiten Kontaktstücks einen Metallschwamm und/oder Metallschaum, insbesondere aus oder mit Kupfer, auf. In the case of the power module according to the invention, the open-pore material of the first and / or second contact piece preferably has a metal sponge and / or metal foam, in particular made of or with copper.
Geeigneterweise ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontaktstück aus oder mit Metall, insbesondere Nickel und/oder Silber und/oder Gold und/oder Zinn und/oder Kupfer und/oder Aluminium, zweckmäßig als Metallschwamm, insbesondere als Kupferschwamm, gebildet. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist das mit offenporigem Material gebildete Kontaktstück auf besonders einfache Weise elektrisch leitend als elektrisches Kontaktstück ausgebildet. Zugleich erlauben die genannten Materialien eine offenporige Ausbildung. Suitably, in the power module according to the invention first and / or second contact piece made of or with metal, in particular nickel and / or silver and / or gold and / or tin and / or copper and / or aluminum, useful as metal sponge, in particular as copper sponge, educated. In this development of the power module according to the invention, the contact piece formed with open-pore material is designed to be electrically conductive in a particularly simple manner as an electrical contact piece. At the same time, the materials mentioned allow an open-pore formation.
Vorzugsweise ist/sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul erstes und/oder zweites Kontaktstück mit einer gewebeartigen und/oder schaumartigen und/oder netzartigen Struktur, insbesondere einer als Metallnetz gebildeten Struktur, gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann/können erstes und/oder zweites Kontaktstück mit einem Stapel von Leiterrahmen gebildet sein. In dieser Weiterbildung lässt sich die Offenporigkeit von erstem und/oder zweiten Kontaktstück leicht gewährleisten. Preferably, in the power module according to the invention, first and / or second contact piece are / are formed with a fabric-like and / or foam-like and / or net-like structure, in particular a structure formed as a metal net. Alternatively or additionally, first and / or second contact piece may be formed with a stack of lead frames. In this development, the open porosity of the first and / or second contact piece can be easily ensured.
In einer geeigneten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls weist dieses ein erstes am/im Kühlkanal angeordnetes Substrat auf, welches mittels des ersten Kontaktstücks an das Leistungsbauteil kontaktiert ist, wobei das Leistungsmodul vorzugsweise ein zweites am/im Kühlkanal angeordnetes Substrat aufweist, welches mittels des zweiten Kontaktstücks an das Leistungsbauteil elektrisch kontaktiert ist. Besonders zweckmäßig bilden/bildet das erste und/oder zweite Substrat einen Teil des Kühlkanals und/oder begrenzt/begrenzen den Kühlkanal. Vorteilhaft strecken sich erstes und/oder zweites Kontaktstück von ersten und/oder zweiten Substrat fort in den Kühlkanal zum Leistungsbauteil hinein. In a suitable development of the power module according to the invention, this has a first substrate arranged on / in the cooling channel, which is contacted to the power component by means of the first contact piece, wherein the power module preferably has a second substrate arranged on / in the cooling channel, which by means of the second contact piece the power component is electrically contacted. Particularly suitably form / forms the first and / or second substrate part of the cooling channel and / or limits / limit the cooling channel. Advantageously, the first and / or second contact piece extend from the first and / or second substrate into the cooling channel to the power component.
Zweckmäßig weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumindest zwei oder mehrere Leistungsbauteile auf, welche entlang eines Querschnitts des Kühlkanals angeordnet sind und welche untereinander und/oder an ein oder mehrere zumindest teilweise im Kühlkanal befindliche Substrate mittels mit offenporigem Material gebildeten Kontaktstücken elektrisch kontaktiert sind. Expediently, the power module according to the invention has at least two or more power components which are arranged along a cross section of the cooling channel and which are electrically connected to one another or to a plurality of substrates located at least partially in the cooling channel by means of contact pieces formed with open-pored material.
Bei dem Leistungsmodul ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der Kühlkanal entlang einer Querschnittsfläche des Kühlkanals am zumindest einen Leistungsbauteil mit einem Granulat gefüllt. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist es nicht erforderlich, den gesamten Querschnitt des Kühlkanals mit dem offenporigen Material zu füllen. Vielmehr kann das offenporige Material des ersten und/oder des zweiten Kontaktstücks auch lediglich einen Teil des Querschnitts des Kühlkanals ausmachen, wobei das Granulat auch in denjenigen Bereichen der Querschnittsfläche des Kühlkanals, welche nicht vom offenporigen Material des ersten und zweiten Kontaktstücks eingenommen werden, einen hinreichend großen Strömungswiderstand bildet, sodass eine den Kühlkanal durchströmende Kühlflüssigkeit zu einem nennenswerten Anteil durch erstes und zweites Kontaktstück hindurch strömt. In the case of the power module, in a preferred development of the invention, the cooling channel is filled with granules along a cross-sectional area of the cooling channel on the at least one power component. In this embodiment of the invention, it is not necessary to fill the entire cross section of the cooling channel with the open-pore material. Rather, the open-pore material of the first and / or the second contact piece can also only make up a part of the cross section of the cooling channel, wherein the granules also in those areas of the cross-sectional area of the cooling channel, which are not occupied by the open-pored material of the first and second contact piece, a sufficient forms a large flow resistance, so that a coolant flowing through the cooling channel flows to a considerable extent through first and second contact piece.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls ist der Kühlkanal mit einem elektrisch isolierenden Kühlfluid beaufschlagt, insbesondere mit einem Kondensatoröl und/oder einem Silikonöl und/oder einer fluorcarbonbasierten und elektrisch isolierenden Flüssigkeit und/oder deionisiertem Wasser. In a preferred embodiment of the power module according to the invention is the Cooling channel with an electrically insulating cooling fluid acted upon, in particular with a capacitor oil and / or a silicone oil and / or a fluorcarbon-based and electrically insulating liquid and / or deionized water.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
Die in
Zwischen die Substrate
Die Leistungsbauteile
The
Die Leistungsbauteile
Die Kontaktstücke
Die Kontaktstücke werden wie in
Da die einander abgewandten Flachseiten der Leistungsbauteile
Anschließend wird der Kunststoff
In einem nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten entspricht, übernimmt eine später durch den Kühlkanal
Bei dem derart bereitgestellten Leistungsmodul sind nun die Leistungsbauteile
In den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen ist es nicht notwendigerweise erforderlich, entlang eines gegebenen Querschnitts quer zum Strömungspfad des Kühlkanals nur ein einziges Leistungsbauteil
Alternativ oder zusätzlich können innerhalb des Kühlkanals
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul weist der Kühlkanal
Alternativ kann neben einer direkten Kühlung auch eine passive Kühlung vorhanden sein: In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkanal
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul muss nicht, wie in
In einem weiteren in
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Legal Events
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R079 | Amendment of ipc main class |
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R163 | Identified publications notified | ||
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