WO2007009868A1 - Arrangement of an electrical component and of a two-phase cooling device and method for operating the arrangement - Google Patents

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WO2007009868A1
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evaporator
component
cooling device
arrangement
cooling fluid
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Gerhard Mitic
Eckhard Wolfgang
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of at least one electrical component and at least one cooling device for dissipating heat from the component, wherein the cooling device comprises at least a two-phase cooling device with at least one evaporator and the evaporator, an evaporator surface for evaporating a cooling fluid in one with the evaporator surface of the Evaporator having in contact steam space of the two-phase cooling device.
  • the cooling device comprises at least a two-phase cooling device with at least one evaporator and the evaporator, an evaporator surface for evaporating a cooling fluid in one with the evaporator surface of the Evaporator having in contact steam space of the two-phase cooling device.
  • a two-phase cooling device is used. When a cooling fluid of the two-phase refrigerator evaporates, heat is dissipated. The heat dissipation is interrupted when a
  • the object of the present invention is to specify how, despite large temperature differences occurring Cooling capacity of the two-phase cooling device can be maintained.
  • an arrangement of at least one electrical component and at least one cooling device for dissipating heat from the device wherein the cooling device comprises at least a two-phase cooling device with at least one evaporator and the evaporator an evaporator surface for evaporating a cooling fluid in with Having the evaporator surface of the evaporator in contact vapor space of the two-phase cooling device.
  • the arrangement is characterized in that the evaporator surface is formed by an electrical connection line for electrically contacting an electrical contact surface of the component and a means for adjusting a boiling temperature of the cooling fluid is present.
  • a method for operating an arrangement is also specified with the following method steps: a) Determining a state variable of the arrangement and b) Setting the boiling temperature of the cooling fluid of the cooling device.
  • a two-phase cooling device consists essentially of an evaporator (evaporator) for evaporating a cooling fluid, a condenser (condenser) for liquefying the cooling fluid and a fluid channel for transporting the cooling fluid as both liquid and gaseous phase.
  • the fluid channel forms a vapor space of the two-phase cooling device, in which the cooling fluid is vaporized at the evaporator. From the steam room, the liquefaction of the cooling fluid takes place at the condenser.
  • the two-phase cooling device allows using the evaporation and condensation heat of the cooling fluid (coolant) a high heat flux density.
  • the high heat flow density results as follows:
  • the evaporator is thermally conductive via the electrical connection line connected to the electrical component.
  • the heat generated during operation of the electrical component is transferred to the evaporator.
  • the transferred heat leads to the evaporation of the liquid cooling fluid.
  • the cooling fluid passes from the liquid phase to the gaseous phase.
  • the cooling fluid absorbs heat of vaporization.
  • the two-phase cooling device is realized as a boiling bath cooling.
  • the evaporator or the evaporator surface is in a cooling fluid bath (boiling bath).
  • the evaporator surface and the vapor space are not directly in contact, but indirectly via the liquid cooling fluid in contact.
  • the evaporation of the cooling fluid leads to typical vapor bubble formation in the liquid cooling fluid.
  • the boiling bath not only serves to accommodate the evaporator or the evaporator surface, but also the recording and the cooling of the entire component.
  • the gaseous cooling fluid passes to the condenser.
  • the condenser is thermally conductively connected to a heat sink.
  • condensation of the gaseous cooling fluid occurs.
  • the cooling fluid passes from the gaseous phase into the liquid phase. This heat of condensation is released to the heat sink.
  • the basic idea of the invention is to design the electrical connecting line for the electrical contacting of the component as an evaporator of the two-phase cooling device. Especially in the operation of power devices develop due to the high currents that are transported through the connecting line, large amounts of heat. Because of that
  • a cooling capacity of the two-phase cooling device can be maintained (within certain limits) independently of the state variable of the arrangement.
  • the state quantity is, for example, a temperature of the component or a temperature of the substrate.
  • Temperature sensor used as a state variable, the pressure of the vapor space can be used, which is detected by means of a suitable pressure sensor. On the basis of the determined state variable, a further state variable of the arrangement is readjusted or set.
  • a volume of the vapor space and / or a vapor pressure of the cooling fluid are adjusted for adjusting the boiling temperature.
  • an external pressure generator is used which is in contact with the vapor space.
  • a vapor pressure of the cooling fluid in the steam space can be increased or decreased.
  • the boiling temperature is lowered or increased.
  • the means for adjusting the boiling temperature comprises means for varying a vapor space of the two-phase cooling device, which is in contact with the evaporator surface of the evaporator. In this case, the evaporator surface and the vapor space can be in direct or indirect contact with each other.
  • the change of the vapor space includes a change of a vapor space volume of the vapor space.
  • the means for changing the steam space in particular a stretchable bellows.
  • the bellows has a variable bellows volume.
  • the bellows volume can be formed directly from the steam space. It is also conceivable that a bellows space forming the bellows volume and the vapor space forming the vapor space volume indirectly via a
  • Pressure transmission device are connected.
  • a pressure transmission device is for example an elastically deformable membrane.
  • a change in the pressure in the bellows space is transferred via the membrane to the steam room. This can lead to a change in the pressure in the steam room or to a change in the headspace volume.
  • the structured evaporator surface has an enlarged surface area as compared to an unstructured surface
  • the two-phase cooling device in a particular embodiment comprises a condenser with a structured condenser surface for liquefying the cooling fluid.
  • the structured condenser surface also has an enlarged, compared to an unstructured surface, available for the liquefaction process Condenser surface on.
  • the special refinements of the structured evaporator surface described below can also relate to the condenser surface.
  • a structure of the evaporator surface is dimensioned such that an efficient evaporation of the cooling fluid is possible.
  • the structure is therefore based on the amount of heat that arises during the operation of the device and must be derived.
  • the structured evaporator surface therefore has a capillary structure. Local hot spots are cooled particularly well by the evaporation process, which allows an isothermal operation of the device.
  • the capillary structure has a dimension selected from the range of 0.1 ⁇ m up to and including 1000 ⁇ m and in particular from the range of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m inclusive. These dimensions prove to be particularly advantageous.
  • the capillary structure has capillaries.
  • a capillary is a cavity, in particular a narrow-volume cavity with a dimension from the stated ranges.
  • the capillaries are open surface structures. Due to the open surface structures, a transport of the cooling fluid takes place due to capillary forces. To an efficient Transport and thus for efficient cooling, the capillary structure, the conductor material, which forms the capillary structure, and the cooling fluid are coordinated so that a good wettability of the evaporator surface with the capillary structure by the
  • Cooling fluid is given. It is particularly advantageous if the evaporator surface with the capillary structure is part of the cooling channel of the two-phase cooling device.
  • this embodiment provides for efficient transport of the cooling fluid and thus efficient cooling
  • This design also has the particular advantage that the probability of "dry running" of the Evaporator surface is reduced compared to another two-phase cooling device. During “dry running" of the evaporator surface, the evaporator surface is at least partially no longer wetted by the cooling fluid, so that no cooling takes place due to evaporation, which can lead to overheating and thus damage to the component or the entire arrangement.
  • an electrically non-conductive, ie electrically insulating cooling fluid is used.
  • halogenated hydrocarbons and in particular fluorinated hydrocarbons are used as the cooling fluid.
  • the fluorinated hydrocarbon is Fluorinert®.
  • the connecting cable acts not only as an electrical but also as a thermal conductor. Therefore, the electrical connection line in particular has an electrically and thermally highly conductive metal.
  • the metal is in particular copper or aluminum.
  • the electrochemical deposition on copper Copper can be easily and in relatively large layer thicknesses electrodeposit from a solution containing copper salt.
  • the layer thicknesses can reach up to several 100 ⁇ m. This can be provided for a current carrying capacity necessary for the operation of the component, for example a power semiconductor component.
  • the assembly may comprise any electrical component that must be efficiently cooled for stable operation.
  • the component is a semiconductor component and in particular a power semiconductor component.
  • Power semiconductor component is selected from the group IGBT, diode, MOSFET, thyristor and bipolar transistor.
  • the component is arranged on a substrate such that the electrical contact surface of the component is turned away from the substrate.
  • an efficient heat conduction path is provided away from the component. This efficient heat conduction path does not pass over the substrate.
  • a single electrical device for a single substrate.
  • a plurality of components are arranged on a substrate (module).
  • the components can be corresponding
  • each of the components is thermally conductively connected to one or more two-phase cooling devices.
  • the evaporator surface is formed by a plurality of structured connecting lines. This allows efficient heat spreading across the entire substrate. There are no heat peaks. Heat spikes could result in lasting damage to the entire module from the devices and the substrate.
  • an electrical insulation film is laminated onto the component and the substrate such that a surface contour formed by the component and the substrate is imaged in a surface contour of the insulation film that faces away from the component and the substrate.
  • the surface contour (topography) of the component and the substrate is molded by the insulating film.
  • the insulating film follows the surface contour of the component and the substrate. This applies in particular to corners and edges of the component and of the substrate.
  • a molding of the surface contour of the component and of the substrate is achieved by laminating the insulation film to the component and to the substrate. By lamination creates a particularly intimate and solid contact between the
  • Insulation film and the electrical component and between the insulating film and the electrical component are laminated under vacuum.
  • the connecting line with the optionally structured evaporator surface is applied to the insulating film.
  • an insulating film is laminated.
  • at least one window in the insulation film is opened. By opening the window, the electrical contact surface of the device is exposed. The opening of the window takes place, for example, by laser ablation or by a photolithographic process.
  • electrically conductive conductor material is deposited.
  • the connecting line consists of stacked Metallization layers.
  • the contact surface of the power semiconductor component consists of aluminum.
  • a lowermost metallization layer, which is applied directly to the contact surface of the power semiconductor component, consists for example of titanium and acts as an adhesion-promoting layer.
  • An overlying metallization layer consists of a titanium-tungsten alloy, which acts as a barrier layer for copper ions. Another layer acts as a so-called seed layer for the subsequent galvanic deposition of
  • This copper layer can be patterned to form the structured evaporator surface.
  • structuring in particular mechanical and / or electrochemical structuring is carried out. It is removed after galvanic deposition material. Also conceivable is the structuring during the deposition. For this purpose, a suitable patterning mask is used during the deposition. The structuring is galvanic.
  • Heat dissipation is largely independent of the operating state of the device.
  • the structured evaporator surface leads to an efficient heat spreading.
  • the invention leads to a low compared to the prior art thermal load and thus to an increased reliability of a component or an entire module.
  • FIG. 1 shows an arrangement in a lateral cross-section.
  • Figure 2 shows a section of the arrangement in a lateral cross-section.
  • the exemplary embodiments relate in each case to an arrangement 1 of at least one electrical component 2 and at least one cooling device 3 for dissipating heat which arises during operation of the component 2.
  • the electrical component 2 is a
  • Power semiconductor component in the form of a MOSFET in an alternative embodiment, the power semiconductor device 2 is an IGBT.
  • the power semiconductor component 2 is part of an entire module 20, in which a plurality of power semiconductor components 2, not shown, are arranged and wired on a single, common substrate 4.
  • the substrate 4 is a DCB (Direct Copper Bonding) substrate.
  • a ceramic layer 41 is provided on both sides with copper layers 42 and 42.
  • the power semiconductor component 2 has an electrical contact surface 21, which is electrically contacted over a large area.
  • the power semiconductor component 2 is soldered on one of the copper layers 42 and 43 of the substrate 4 such that the contact surface 21 of the power semiconductor component 2 to be contacted faces away from the substrate 4 is. This results in a soldering track 22 between the power semiconductor component 2 and the corresponding copper layer 42 of the substrate 4.
  • the copper layer 42 and the soldering track 22 serve for electrically contacting a further electrical contact surface 23 of the power semiconductor component 2.
  • an electrical insulation film 5 is applied to the device 2 and the
  • Power semiconductor component 2 insulation material of the insulation film 5 removed. This is done by laser ablation. The result is a window 52 in the insulating film. The contact surface 21 of the power semiconductor component 2 is freely accessible.
  • the electrical connection line 6 is applied for making electrical contact with the contact surface 21.
  • electrically conductive materials are applied in a structured manner on the contact surface 21 and on a film surface 53 of the insulating film 5, which faces away from the substrate 4 and the power semiconductor component 2.
  • the result is a multi-layered electrical connection line 6 of a plurality of electrically conductive layers 61.
  • the electrical feedthrough 54 is generated by the insulating film 5.
  • the cooling device is a two-phase cooling device 3 with an evaporator 31 for a cooling fluid 34.
  • the cooling fluid is a Fluorinert®.
  • the evaporator 31 has an evaporator surface 311. On the evaporator surface 311 evaporation of the cooling fluid 34 takes place. The evaporation takes place in the vapor space 312 of the two-phase cooling device 3.
  • a condenser 32 for condensing the cooling fluid 34.
  • Condenser surface 321 condenses the cooling fluid 34.
  • the evaporator 31 or the evaporator surface 311 is immersed in a boiling bath 36 with the cooling fluid 34. There is a boiling bath cooling.
  • the two-phase cooling device 3 is designed as a "heat pipe.” Capillary forces transport the cooling fluid 33 from the condenser 32 to the evaporator 31.
  • the evaporator surface 311 with the capillary structure 313 forms part of the fluid channel 33.
  • the evaporator 31 is connected to the condenser 32 via the steam space 312. Due to the steam space 312, the gaseous cooling fluid 34 reaches the condenser 32.
  • the vapor space 312 represents the fluid channel 33 of the two-phase cooling device 3.
  • the condenser 32 is in thermal contact with a heat sink 35.
  • the heat sink 35 has a copper block with cooling fins 351. In this way, when condensing the cooling fluid 34 at the
  • Condenser surface 321 dissipated condensation heat efficiently dissipated.
  • the evaporator surface 321 is structured.
  • the structured evaporator surface is formed by the electrical connecting line 6 for contacting the electrical contact surface 21 of the component 2.
  • the structured evaporator surface 311 has a capillary structure 313. Liquid or liquefied cooling fluid 34 is constantly brought in via the capillary structure 313 by utilizing capillary forces.
  • the patterning leads to an enlargement of the effective evaporator surface 311 usable for the evaporation. An efficient cooling of the power semiconductor component 2 occurs.
  • the condenser surface 321 is also structured.
  • the condenser surface 321 also has a corresponding capillary structure 323 for this purpose.
  • the capillary structure 313 copper is deposited in a patterned manner. This succeeds with a suitable structuring mask.
  • the capillary structure 313 is electromechanically generated after electrodepositing copper. It is removed copper.
  • the capillary structure 323 of the condenser surface is represented in a corresponding manner.
  • the boiling temperature adjusting means 37 is a means for changing the steam space 312.
  • the vapor space changing means is a stretchable bellows with which the vapor space volume can be changed. Due to the adjustability of the boiling temperature of the cooling fluid 34, heat can be efficiently dissipated at any time, ie independently of the operating phase or the operating state of the power semiconductor component 2 or of the module 20.

Abstract

The invention relates to an arrangement (1) of at least one electrical component (2) and at least one cooling device (3) for dissipating heat from the component, the cooling device having at least one two-phase cooling device with at least one evaporator (31) and the evaporator having an evaporator surface (311) for evaporating a cooling fluid (34) into a vapour space (312) of the two-phase cooling device, said vapour space being in contact with the evaporator surface of the evaporator. The arrangement is characterized in that the evaporator surface is formed by an electrical connecting line (6) for making electrical contact with an electrical contact area (21) of the component, and a means (37) for setting a boiling temperature of the cooling fluid is present. In addition, a method for operating an arrangement is also specified which has the following method steps: a) determining a state variable of the arrangement and b) setting the boiling temperature of the cooling fluid of the cooling device. The component is a power semiconductor component, in particular. The connecting line is used for efficiently cooling the power semiconductor component and a module (20) equipped therewith. Heat is dissipated efficiently from the component independently of the operating phase. The invention finds application in planar, large-area contact-making technology.

Description

Beschreibungdescription
Anordnung eines elektrischen Bauelements und einer Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der AnordnungArrangement of an electrical component and a two-phase cooling device and method for operating the arrangement
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens eines elektrischen Bauelements und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme vom Bauelement, wobei die Kühlvorrichtung mindestens eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung mit mindestens einem Verdampfer aufweist und der Verdampfer eine Verdampferoberfläche zum Verdampfen eines Kühlfluids in einen mit der Verdampferoberfläche des Verdampfers in Kontakt stehenden Dampfräum der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung aufweist. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen der Anordnung angegeben.The invention relates to an arrangement of at least one electrical component and at least one cooling device for dissipating heat from the component, wherein the cooling device comprises at least a two-phase cooling device with at least one evaporator and the evaporator, an evaporator surface for evaporating a cooling fluid in one with the evaporator surface of the Evaporator having in contact steam space of the two-phase cooling device. In addition, a method for producing the device is specified.
Im Betrieb des elektrischen Bauelements kann es aufgrund hoher Verlustleistungen zu einer erheblichen Wärmeentwicklung kommen. Für eine Zuverlässigkeit des Bauelements kann es notwendig sein, die im Betrieb entstehende Wärme effizient abzuleiten. Dazu wird beispielsweise eine Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung eingesetzt. Wenn ein Kühlfluid der Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung verdampft, wird Wärme abgeleitet. Die Wärmeableitung ist dann unterbrochen, wenn eineDuring operation of the electrical component, considerable heat generation can occur due to high power losses. For reliability of the device, it may be necessary to efficiently dissipate the heat generated during operation. For this purpose, for example, a two-phase cooling device is used. When a cooling fluid of the two-phase refrigerator evaporates, heat is dissipated. The heat dissipation is interrupted when a
Siedetemperatur des Kühlfluids unterschritten ist und daher eine Verdampfungsrate am Verdampfer deutlich reduziert ist. Dies kann in einer Startphase des Betriebs des elektrischen Bauelements der Fall sein. Das beschriebene Szenario kann auch durch eine große Temperaturschwankung ausgelöst werden. In Folge der großen Temperaturschwankungen und der damit einhergehenden sehr unterschiedlichen Kühlleistung der Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung kann es zu einer nachhaltigen Schädigung des Bauelements bzw. der gesamten Anordnung kommen.Below the boiling point of the cooling fluid is below and therefore an evaporation rate at the evaporator is significantly reduced. This may be the case in a starting phase of the operation of the electrical component. The scenario described can also be triggered by a large temperature fluctuation. As a result of the large temperature fluctuations and the associated very different cooling performance of the two-phase cooling device, there can be a lasting damage to the component or the entire arrangement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie trotz auftretender großer Temperaturunterschiede eine Kühlleistung der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung aufrechterhalten werden kann.The object of the present invention is to specify how, despite large temperature differences occurring Cooling capacity of the two-phase cooling device can be maintained.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung mindestens eines elektrischen Bauelements und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme vom Bauelement angegeben, wobei die Kühlvorrichtung mindestens eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung mit mindestens einem Verdampfer aufweist und der Verdampfer eine Verdampferoberfläche zum Verdampfen eines Kühlfluids in einen mit der Verdampferoberfläche des Verdampfers in Kontakt stehenden Dampfräum der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung aufweist. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferoberfläche von einer elektrischen Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen Kontaktfläche des Bauelements gebildet ist und ein Mittel zum Einstellen einer Siedetemperatur des Kühlfluids vorhanden ist.To achieve the object, an arrangement of at least one electrical component and at least one cooling device for dissipating heat from the device is provided, wherein the cooling device comprises at least a two-phase cooling device with at least one evaporator and the evaporator an evaporator surface for evaporating a cooling fluid in with Having the evaporator surface of the evaporator in contact vapor space of the two-phase cooling device. The arrangement is characterized in that the evaporator surface is formed by an electrical connection line for electrically contacting an electrical contact surface of the component and a means for adjusting a boiling temperature of the cooling fluid is present.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Betreiben eine Anordnung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Ermitteln einer Zustandsgröße der Anordnung und b) Einstellen der Siedetemperatur des Kühlfluids der Kühlvorrichtung .To achieve the object, a method for operating an arrangement is also specified with the following method steps: a) Determining a state variable of the arrangement and b) Setting the boiling temperature of the cooling fluid of the cooling device.
Eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Verdampfer (Evaporator) zum Verdampfen eines Kühlfluids, einem Verflüssiger (Condensor) zum Verflüssigen des Kühlfluids und einem Fluidkanal zum Transport des Kühlfluids sowohl als flüssige als auch als gasförmige Phase. Der Fluidkanal bildet einen Dampfraum der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung, in den das Kühlfluid am Verdampfer verdampft wird. Aus dem Dampfraum heraus findet am Verflüssiger die Verflüssigung des Kühlfluids statt.A two-phase cooling device consists essentially of an evaporator (evaporator) for evaporating a cooling fluid, a condenser (condenser) for liquefying the cooling fluid and a fluid channel for transporting the cooling fluid as both liquid and gaseous phase. The fluid channel forms a vapor space of the two-phase cooling device, in which the cooling fluid is vaporized at the evaporator. From the steam room, the liquefaction of the cooling fluid takes place at the condenser.
Die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung erlaubt unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswärme des Kühlfluids (Kühlmittel) eine hohe Wärmestromdichte. Die hohe Wärmestromdichte ergibt sich wie folgt: Der Verdampfer ist über die elektrische Verbindungsleitung thermisch leitend mit dem elektrischen Bauelement verbunden. Die im Betrieb des elektrischen Bauelements entstehende Wärme wird auf den Verdampfer übertragen. Die übertragene Wärme führt zum Verdampfen des flüssigen Kühlfluids. Das Kühlfluid geht von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase über. Dabei nimmt das Kühlfluid Verdampfungswärme auf.The two-phase cooling device allows using the evaporation and condensation heat of the cooling fluid (coolant) a high heat flux density. The high heat flow density results as follows: The evaporator is thermally conductive via the electrical connection line connected to the electrical component. The heat generated during operation of the electrical component is transferred to the evaporator. The transferred heat leads to the evaporation of the liquid cooling fluid. The cooling fluid passes from the liquid phase to the gaseous phase. The cooling fluid absorbs heat of vaporization.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung als Siedebadkühlung realisiert. Dabei befindet sich der Verdampfer bzw. die Verdampferoberfläche in einem Kühlfluid-Bad (Siedebad) . Die Verdampferoberfläche und der Dampfraum stehen nicht direkt, sondern indirekt über das flüssige Kühlfluid in Kontakt. Das Verdampfen des Kühlfluids führt zur typischen Dampfblasenbildung im flüssigen Kühlfluid. Vorzugsweise dient das Siedebad nicht nur der Aufnahme des Verdampfers bzw. der Verdampferoberfläche, sondern auch der Aufnahme und der Kühlung des gesamten Bauelements .In a particular embodiment, the two-phase cooling device is realized as a boiling bath cooling. In this case, the evaporator or the evaporator surface is in a cooling fluid bath (boiling bath). The evaporator surface and the vapor space are not directly in contact, but indirectly via the liquid cooling fluid in contact. The evaporation of the cooling fluid leads to typical vapor bubble formation in the liquid cooling fluid. Preferably, the boiling bath not only serves to accommodate the evaporator or the evaporator surface, but also the recording and the cooling of the entire component.
Durch den Fluidkanal gelangt das gasförmige Kühlfluid zum Verflüssiger. Der Verflüssiger ist mit einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden. Im Verflüssiger kommt es zur Kondensation des gasförmigen Kühlfluids. Das Kühlfluid geht von der gasförmigen Phase in die flüssige Phase über. Dabei wird Kondensationswärme an die Wärmesenke abgegeben. Unter Beteiligung der beiden Phasenübergänge des Kühlfluids resultieren eine hohe Wärmestromdichte und damit ein effizienter Wärmetransport vom Bauelement weg zur Wärmesenke hin .Through the fluid channel, the gaseous cooling fluid passes to the condenser. The condenser is thermally conductively connected to a heat sink. In the condenser, condensation of the gaseous cooling fluid occurs. The cooling fluid passes from the gaseous phase into the liquid phase. This heat of condensation is released to the heat sink. With the participation of the two phase transitions of the cooling fluid, a high heat flux density and thus an efficient heat transfer from the component away to the heat sink result.
Durch den Fluidkanal wird das am Verflüssiger verflüssigte Kühlfluid wieder zum Verdampfer zurücktransportiert. Somit liegt ein geschlossener Stoffkreislauf vor. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Fluidkanals und der Art des Rücktransports werden zwei Typen von Zwei-Phasen- Kühlvorrichtungen unterschieden: Bei einem so genannten „Thermosiphon" erfolgt der Rücktransport im Wesentlichen aufgrund der Schwerkraft. Im Gegensatz dazu findet bei einer so genannten „Heatpipe" der Rücktransport im Wesentlichen aufgrund von Kapillarkräften statt.Through the fluid channel, the liquefied at the condenser cooling fluid is transported back to the evaporator. Thus, there is a closed material cycle. Depending on the configuration of the fluid channel and the type of return transport, a distinction is made between two types of two-phase cooling devices: In a so-called "thermosyphon", the return transport takes place essentially due to the force of gravity so-called "heat pipe" the return transport essentially due to capillary forces instead.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die elektrische Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements als Verdampfer der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung auszugestalten. Gerade im Betrieb von Leistungsbauelementen entwickeln sich aufgrund der hohen Ströme, die durch die Verbindungsleitung transportiert werden, große Wärmemengen. Dadurch, dass dieThe basic idea of the invention is to design the electrical connecting line for the electrical contacting of the component as an evaporator of the two-phase cooling device. Especially in the operation of power devices develop due to the high currents that are transported through the connecting line, large amounts of heat. Because of that
Verbindungsleitung selbst die Verdampferoberfläche bildet, können diese Wärmemengen direkt abgeleitet werden. Viele Leitermaterialien, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, sind nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch hoch leitfähig, so dass zudem über die Verbindungsleitung als Verdampfer ein effizienter Wärmeleitpfad vom Bauelemente weg bereitgestellt wird.Connecting line itself forms the evaporator surface, these amounts of heat can be derived directly. Many conductor materials, for example copper or aluminum, are not only electrically but also highly thermally conductive, so that in addition an efficient heat conduction path is provided away from the components via the connecting line as evaporator.
Mit Hilfe des Mittels zum Einstellen der Siedetemperatur des Kühlfluids kann zudem eine Kühlleistung der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung (in gewissen Grenzen) unabhängig von der Zustandsgröße der Anordnung aufrecht erhalten werden. Die Zustandsgröße ist beispielsweise eine Temperatur des Bauelements oder eine Temperatur des Substrats . Zum Ermitteln der Zustandsgröße „Temperatur" wird ein geeigneterIn addition, with the aid of the means for adjusting the boiling temperature of the cooling fluid, a cooling capacity of the two-phase cooling device can be maintained (within certain limits) independently of the state variable of the arrangement. The state quantity is, for example, a temperature of the component or a temperature of the substrate. To determine the state variable "temperature" is a suitable
Temperatursensor eingesetzt. Als Zustandsgröße kann auch der Druck des Dampfraums verwendet werden, der mit Hilfe eines geeigneten Drucksensors erfasst wird. Aufgrund der ermittelten Zustandsgröße wird eine weitere Zustandsgröße der Anordnung nachgeregelt bzw. eingestellt.Temperature sensor used. As a state variable, the pressure of the vapor space can be used, which is detected by means of a suitable pressure sensor. On the basis of the determined state variable, a further state variable of the arrangement is readjusted or set.
In einer besonderen Ausgestaltung werden zum Einstellen der Siedetemperatur ein Volumen des Dampfraums und/oder ein Dampfdruck des Kühlfluids eingestellt. Es wird beispielsweise ein externer Druckerzeuger verwendet, der mit dem Dampfraum in Kontakt steht. Dadurch kann ein Dampfdruck des Kühlfluids im Dampfräum erhöht oder erniedrigt werden. In Folge davon wird die Siedetemperatur erniedrigt oder erhöht. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Mittel zum Einstellen der Siedetemperatur ein Mittel zum Verändern eines Dampfraums der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung auf, der mit der Verdampferoberfläche des Verdampfers in Kontakt steht. Dabei können die Verdampferoberfläche und der Dampfraum direkt oder indirekt miteinander in Kontakt stehen.In a particular embodiment, a volume of the vapor space and / or a vapor pressure of the cooling fluid are adjusted for adjusting the boiling temperature. For example, an external pressure generator is used which is in contact with the vapor space. As a result, a vapor pressure of the cooling fluid in the steam space can be increased or decreased. As a result, the boiling temperature is lowered or increased. According to a particular embodiment, the means for adjusting the boiling temperature comprises means for varying a vapor space of the two-phase cooling device, which is in contact with the evaporator surface of the evaporator. In this case, the evaporator surface and the vapor space can be in direct or indirect contact with each other.
Die Veränderung des Dampfsraums beinhaltet insbesondere eine Veränderung eines Dampfraumvolumens des Dampfraums . Dazu weist das Mittel zum Verändern des Dampfraums insbesondere einen dehnbaren Balg auf. Der Balg verfügt über ein veränderbares Balgvolumen. Das Balgvolumen kann dabei direkt vom Dampfräum gebildet sein. Denkbar ist auch, dass ein das Balgvolumen bildender Balgraum und der das Dampfraumvolumen bildende Dampfraum mittelbar über eineIn particular, the change of the vapor space includes a change of a vapor space volume of the vapor space. For this purpose, the means for changing the steam space in particular a stretchable bellows. The bellows has a variable bellows volume. The bellows volume can be formed directly from the steam space. It is also conceivable that a bellows space forming the bellows volume and the vapor space forming the vapor space volume indirectly via a
Druckübertragungsvorrichtung verbunden sind. Eine derartige Druckübertragungsvorrichtung ist beispielsweise eine elastisch verformbare Membran. Eine Änderung des Drucks im Balgraum wird über die Membran auf den Dampfräum übertragen. Dies kann zu einer Änderung des Drucks im Dampfräum oder zu einer Änderung des Dampfraumvolumens führen.Pressure transmission device are connected. Such a pressure transmission device is for example an elastically deformable membrane. A change in the pressure in the bellows space is transferred via the membrane to the steam room. This can lead to a change in the pressure in the steam room or to a change in the headspace volume.
In einer besonderen Ausgestaltung ist dieIn a particular embodiment, the
Verdampferoberfläche strukturiert. Die strukturierte Verdampferoberfläche weist eine im Vergleich zu einer unstrukturierten Oberfläche vergrößerte, für denEvaporator surface structured. The structured evaporator surface has an enlarged surface area as compared to an unstructured surface
Verdampfungsvorgang zur Verfügung stehendeEvaporation process available
Verdampferoberfläche auf. Dadurch wird die Wärmestromdichte erhöht. Es resultiert eine effiziente Kühlung des Bauelements. Im Fall einer Siedebadkühlung wird zudem dasEvaporator surface on. This increases the heat flux density. This results in efficient cooling of the device. In the case of a Siedebadkühlung is also the
Auftreten von Siedeverzügen eingeschränkt.Limited occurrence of bumping.
Zur effizienten Kühlung weist die Zweiphasen-Kühlvorrichtung in einer besonderen Ausgestaltung einen Verflüssiger mit einer strukturierten Verflüssigeroberfläche zum Verflüssigen des Kühlfluids aufweist. Auch die strukturierte Verflüssigeroberfläche weist eine im Vergleich zu einer unstrukturierten Oberfläche vergrößerte, für den Verflüssigungsvorgang zur Verfügung stehende Verflüssigeroberfläche auf. Die nachfolgend beschriebenen, besonderen Ausgestaltungen der strukturierten Verdampferoberfläche können auch die Verflüssigeroberfläche betreffen.For efficient cooling, the two-phase cooling device in a particular embodiment comprises a condenser with a structured condenser surface for liquefying the cooling fluid. The structured condenser surface also has an enlarged, compared to an unstructured surface, available for the liquefaction process Condenser surface on. The special refinements of the structured evaporator surface described below can also relate to the condenser surface.
Eine Struktur der Verdampferoberfläche ist derart dimensioniert, dass ein effizientes Verdampfen des Kühlfluids möglich ist. Die Struktur richtet sich daher nach der Menge der Wärme, die im Betrieb des Bauelements entsteht und abgeleitet werden muss. Darüber hinaus richtet sich dieA structure of the evaporator surface is dimensioned such that an efficient evaporation of the cooling fluid is possible. The structure is therefore based on the amount of heat that arises during the operation of the device and must be derived. In addition, the
Struktur nach dem Kühlfluid und nach dem Leitermaterial, aus dem die Verdampferoberfläche gebildet ist. So ist es zweckmäßig, für eine ausreichende Benetzbarkeit zu sorgen. Dies gilt auch im Hinblick auf die Ausgestaltung der Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung als Siedebadkühlung. Durch eine ausreichende Benetzbarkeit werden beispielsweise Siedeverzüge unterbunden.Structure after the cooling fluid and after the conductor material from which the evaporator surface is formed. So it is useful to ensure sufficient wettability. This also applies with regard to the design of the two-phase cooling device as Siedebadkühlung. By sufficient wettability, for example, boiling defects are prevented.
Eine besonders effiziente Kühlung wird dann erreicht, wenn durch Kapillarkräfte das Kühlfluid in flüssiger Form an „heiße" Stellen, so genannte „Hot Spots", der Verdampferoberfläche nachgeliefert werden kann, an denen das Verdampfen in erster Linie stattfindet. In einer besonderen Ausgestaltung weist die strukturierte Verdampferoberfläche daher eine Kapillarstruktur auf. Lokale heiße Stellen werden durch den Verdampfungsprozess dabei besonders gut gekühlt, was einen isothermen Betrieb des Bauelements ermöglicht. In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kapillarstruktur eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1000 μm und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 100 μm ausgewählte Abmessung auf. Diese Abmessungen erweisen sich als besonders vorteilhaft. Die Kapillarstruktur verfügt über Kapillaren. Eine Kapillare ist ein Hohlraum, insbesondere ein engvolumiger Hohlraum mit einer Abmessung aus den angegebenen Bereichen. Die Kapillaren stellen offene Oberflächenstrukturen dar. Durch die offenen Oberflächenstrukturen findet ein Transport des Kühlfluids aufgrund von Kapillarkräften statt. Zu einem effizienten Transport und damit zu einer effizienten Kühlung sind die Kapillarstruktur, das Leitermaterial, das die Kapillarstruktur bildet, und das Kühlfluid aufeinander abgestimmt, so dass eine gute Benetzbarkeit der Verdampferoberfläche mir der Kapillarstruktur durch dasA particularly efficient cooling is achieved when the cooling fluid can be replenished in liquid form at "hot spots", so-called "hot spots", of the evaporator surface by capillary forces, at which evaporation takes place in the first place. In a particular embodiment, the structured evaporator surface therefore has a capillary structure. Local hot spots are cooled particularly well by the evaporation process, which allows an isothermal operation of the device. In a particular embodiment, the capillary structure has a dimension selected from the range of 0.1 μm up to and including 1000 μm and in particular from the range of 10 μm to 100 μm inclusive. These dimensions prove to be particularly advantageous. The capillary structure has capillaries. A capillary is a cavity, in particular a narrow-volume cavity with a dimension from the stated ranges. The capillaries are open surface structures. Due to the open surface structures, a transport of the cooling fluid takes place due to capillary forces. To an efficient Transport and thus for efficient cooling, the capillary structure, the conductor material, which forms the capillary structure, and the cooling fluid are coordinated so that a good wettability of the evaporator surface with the capillary structure by the
Kühlfluid gegeben ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verdampferoberfläche mit der Kapillarstruktur Bestandteil des Kühlkanals der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung ist. Insbesondere bei einer Ausgestaltung der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung als „Heatpipe" wird mit dieser Ausgestaltung für einen effizienten Transport des Kühlfluids und damit für eine effiziente Kühlung gesorgt. Diese Ausgestaltung weist auch den besonderen Vorteil auf, dass die Wahrscheinlichkeit für ein „Trockenlaufen" der Verdampferoberfläche im Vergleich zu einer anderen Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung verringert ist. Beim „Trockenlaufen" der Verdampferoberfläche ist die Verdampferoberfläche zumindest teilweise nicht mehr vom Kühlfluid benetzt. Somit erfolgt keine Kühlung durch Verdampfen. Es kann zu einer Überhitzung und damit zu einer Schädigung des Bauelements oder der gesamten Anordnung kommen .Cooling fluid is given. It is particularly advantageous if the evaporator surface with the capillary structure is part of the cooling channel of the two-phase cooling device. In particular, in an embodiment of the two-phase cooling device as a "heat pipe", this embodiment provides for efficient transport of the cooling fluid and thus efficient cooling This design also has the particular advantage that the probability of "dry running" of the Evaporator surface is reduced compared to another two-phase cooling device. During "dry running" of the evaporator surface, the evaporator surface is at least partially no longer wetted by the cooling fluid, so that no cooling takes place due to evaporation, which can lead to overheating and thus damage to the component or the entire arrangement.
Zum Kühlen wird ein elektrisch nicht leitfähiges, also elektrisch isolierendes Kühlfluid verwendet. Dazu werden halogenierte Kohlenwasserstoffe und insbesondere fluorierte Kohlenwasserstoffe als Kühlfluid verwendet. Beispielsweise ist der fluorierte Kohlenwasserstoff Fluorinert®.For cooling, an electrically non-conductive, ie electrically insulating cooling fluid is used. For this purpose, halogenated hydrocarbons and in particular fluorinated hydrocarbons are used as the cooling fluid. For example, the fluorinated hydrocarbon is Fluorinert®.
Die Verbindungsleitung fungiert nicht nur als elektrischer, sondern auch als thermischer Leiter. Daher weist die elektrische Verbindungsleitung insbesondere ein elektrisch und thermisch hochleitfähiges Metall auf. Das Metall ist insbesondere Kupfer oder Aluminium.The connecting cable acts not only as an electrical but also as a thermal conductor. Therefore, the electrical connection line in particular has an electrically and thermally highly conductive metal. The metal is in particular copper or aluminum.
In einer besonderen Ausgestaltung weist dieIn a particular embodiment, the
Verbindungsleitung zur Bildung der Verdampferoberfläche eine elektrochemische Abscheidung auf. Insbesondere weist die elektrochemische Abscheidung Kupfer auf. Kupfer lässt sich auf einfache Weise und in relativ großen Schichtdicken galvanisch aus einer kupfersalzhaltigen Lösung abscheiden. Die Schichtdicken können bis zu mehreren 100 μm erreichen. Damit kann für eine für den Betrieb des Bauelements, beispielsweise eines Leistungshalbleiterbauelements, notwendige Stromtragfähigkeit bereitgestellt werden.Connecting line to form the evaporator surface on an electrochemical deposition. In particular, the electrochemical deposition on copper. Copper can be easily and in relatively large layer thicknesses electrodeposit from a solution containing copper salt. The layer thicknesses can reach up to several 100 μm. This can be provided for a current carrying capacity necessary for the operation of the component, for example a power semiconductor component.
Die Anordnung kann ein beliebiges elektrisches Bauelement aufweisen, das für einen stabilen Betrieb effizient gekühlt werden muss. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement und insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement . DasThe assembly may comprise any electrical component that must be efficiently cooled for stable operation. In a particular embodiment, the component is a semiconductor component and in particular a power semiconductor component. The
Leistungshalbleiterbauelement ist aus der Gruppe IGBT, Diode, MOSFET, Tyristor und Bipolartransistor ausgewählt.Power semiconductor component is selected from the group IGBT, diode, MOSFET, thyristor and bipolar transistor.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Bauelement derart auf einem Substrat angeordnet, dass die elektrische Kontaktfläche des Bauelements vom Substrat abgekehrt ist. Mit Hilfe der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung wird ein effizienter Wärmeleitpfad vom Bauelement weg bereitgestellt. Dieser effiziente Wärmeleitpfad führt nicht über das Substrat.According to a particular embodiment, the component is arranged on a substrate such that the electrical contact surface of the component is turned away from the substrate. With the aid of the two-phase cooling device, an efficient heat conduction path is provided away from the component. This efficient heat conduction path does not pass over the substrate.
Es kann ein einziges elektrisches Bauelement für ein einziges Substrat vorgesehen sein. In einer besonderen Ausgestaltung sind mehrere Bauelemente auf einem Substrat angeordnet (Modul) . Die Bauelemente können entsprechendeThere may be a single electrical device for a single substrate. In a particular embodiment, a plurality of components are arranged on a substrate (module). The components can be corresponding
Verbindungsleitungen miteinander verdrahtet sein. Vorteilhafter Weise ist jedes der Bauelemente mit einer oder mit mehreren Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen thermisch leitend verbunden. Somit ist es möglich, jedes der Bauelemente effizient zu kühlen. Denkbar ist auch, sämtliche Bauelemente auf dem Substrat mit einer einzigen Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung zu verbinden. Beispielsweise wird die Verdampferoberfläche von mehreren strukturierten Verbindungsleitungen gebildet. Damit ist eine effiziente Wärmespreizung über das gesamte Substrat hinweg möglich. Es treten keine Wärmespitzen auf. Wärmespitzen könnten zu einer nachhaltigen Schädigung des gesamten Moduls aus den Bauelementen und dem Substrat führen. In einer besonderen Ausgestaltung ist auf das Bauelement und das Substrat eine elektrische Isolationsfolie auflaminiert, so dass eine Oberflächenkontur, die von dem Bauelement und dem Substrat gebildet wird, in einer Oberflächenkontur der Isolationsfolie abgebildet ist, die dem Bauelement und dem Substrat abgekehrt ist. Die Oberflächenkontur (Topographie) des Bauelements und des Substrats wird durch die Isolationsfolie abgeformt. Die Isolationsfolie folgt der Oberflächenkontur des Bauelements und des Substrats . Dies betrifft insbesondere Ecken und Kanten des Bauelements und des Substrats . Ein Abformen der Oberflächenkontur des Bauelements und des Substrats wird dadurch erreicht, dass die Isolationsfolie auf das Bauelement und auf das Substrat auflaminiert wird. Durch das Auflaminieren entsteht ein besonders inniger und fester Kontakt zwischen derConnecting cables are wired together. Advantageously, each of the components is thermally conductively connected to one or more two-phase cooling devices. Thus, it is possible to efficiently cool each of the components. It is also conceivable to connect all the components on the substrate with a single two-phase cooling device. For example, the evaporator surface is formed by a plurality of structured connecting lines. This allows efficient heat spreading across the entire substrate. There are no heat peaks. Heat spikes could result in lasting damage to the entire module from the devices and the substrate. In a particular embodiment, an electrical insulation film is laminated onto the component and the substrate such that a surface contour formed by the component and the substrate is imaged in a surface contour of the insulation film that faces away from the component and the substrate. The surface contour (topography) of the component and the substrate is molded by the insulating film. The insulating film follows the surface contour of the component and the substrate. This applies in particular to corners and edges of the component and of the substrate. A molding of the surface contour of the component and of the substrate is achieved by laminating the insulation film to the component and to the substrate. By lamination creates a particularly intimate and solid contact between the
Isolationsfolie und dem elektrischen Bauelement und zwischen der Isolationsfolie und dem elektrischen Bauelement. Vorzugsweise wird die Isolationsfolie unter Vakuum auflaminiert .Insulation film and the electrical component and between the insulating film and the electrical component. Preferably, the insulating film is laminated under vacuum.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Verbindungsleitung mit der gegebenenfalls strukturierten Verdampferoberfläche auf der Isolationsfolie aufgebracht. Zur Kontaktierung der elektrischen Kontaktfläche des Bauelements ist dabei eine elektrische Durchkontaktierung durch die Isolationsfolie vorhanden. Zum Herstellen einer derartigen Anordnung wird beispielsweise eine Isolationsfolie auflaminiert . Nachfolgend wird mindestens ein Fenster in der Isolationsfolie geöffnet. Durch das Öffnen des Fensters wird die elektrische Kontaktfläche des Bauelements freigelegt. Das Öffnen des Fensters erfolgt beispielsweise durch Laserablation oder durch einen Photolithographieprozess . Nachfolgend wird elektrisch leitfähiges Leitermaterial abgeschieden.In a particular embodiment, the connecting line with the optionally structured evaporator surface is applied to the insulating film. To make contact with the electrical contact surface of the device while an electrical through-hole through the insulating film is present. To produce such an arrangement, for example, an insulating film is laminated. Subsequently, at least one window in the insulation film is opened. By opening the window, the electrical contact surface of the device is exposed. The opening of the window takes place, for example, by laser ablation or by a photolithographic process. Subsequently, electrically conductive conductor material is deposited.
Bei einem elektrischen Bauelement in Form einesIn an electrical component in the form of a
Halbleiterbauelements bzw. Leistungshalbleiterbauelements hat es sich bewährt, unterschiedliche Leitermaterialien zu einer mehrschichtigen Verbindungsleitung abzuscheiden. Die Verbindungsleitung besteht aus übereinander angeordneten Metallisierungsschichten. Beispielsweise besteht die Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements aus Aluminium. Eine unterste Metallisierungsschicht, die direkt auf die Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements aufgebracht wird, besteht beispielsweise aus Titan und fungiert als Haftvermittlungsschicht. Eine darüber angeordnete Metallisierungsschicht besteht aus einer Titan- Wolfram-Legierung, die als Sperrschicht für Kupfer-Ionen fungiert. Eine weitere Schicht fungiert als so genannte Seedlayer für das nachfolgende galvanische Abscheiden vonSemiconductor device or power semiconductor device, it has proven useful to separate different conductor materials to a multilayer interconnector. The connecting line consists of stacked Metallization layers. By way of example, the contact surface of the power semiconductor component consists of aluminum. A lowermost metallization layer, which is applied directly to the contact surface of the power semiconductor component, consists for example of titanium and acts as an adhesion-promoting layer. An overlying metallization layer consists of a titanium-tungsten alloy, which acts as a barrier layer for copper ions. Another layer acts as a so-called seed layer for the subsequent galvanic deposition of
Kupfer (siehe unten) . Das Aufbringen dieser Leitermaterialien erfolgt vorzugsweise über Dampfabscheideverfahren, beispielsweise über PVD(Physical Vapour Deposition)- oder CVD (Chemical Vapour Deposition) -Verfahren.Copper (see below). The application of these conductor materials is preferably carried out via Dampfabscheideverfahren, for example via PVD (Physical Vapor Deposition) - or CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
Den Abschluss bildet eine galvanisch abgeschiedene Kupferschicht. Diese Kupferschicht kann zur Bildung der strukturierten Verdampferoberfläche strukturiert werden. Zum Strukturieren wird insbesondere ein mechanisches und/oder elektrochemisches Strukturieren durchgeführt. Es wird nach dem galvanischen Abscheiden Material abgetragen. Denkbar ist auch die Strukturierung während des Abscheidens. Dazu wird während des Abscheidens eine geeignete Strukturierungsmaske eingesetzt. Das Strukturieren erfolgt galvanisch.The conclusion is a galvanically deposited copper layer. This copper layer can be patterned to form the structured evaporator surface. For structuring, in particular mechanical and / or electrochemical structuring is carried out. It is removed after galvanic deposition material. Also conceivable is the structuring during the deposition. For this purpose, a suitable patterning mask is used during the deposition. The structuring is galvanic.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:In summary, the following essential advantages arise with the present invention:
- Mit Hilfe der Erfindung ist eine effiziente Wärmeableitung von einem elektrischen Bauelement möglich. Die effiziente- With the help of the invention efficient heat dissipation of an electrical component is possible. The efficient
Wärmeableitung ist weitgehend unabhängig vom Betriebszustand des Bauelements .Heat dissipation is largely independent of the operating state of the device.
- Insbesondere die strukturierte Verdampferoberfläche führt zu einer effizienten Wärmespreizung. Zudem sind die isotherme- In particular, the structured evaporator surface leads to an efficient heat spreading. In addition, the isothermal
Entwärmung des Bauelements und insbesondere die isotherme Entwärmung eines Moduls mit mehreren Bauelementen möglich. - Die Erfindung führt zu einer im Vergleich zum Stand der Technik geringen thermischen Belastung und damit zu einer erhöhten Zuverlässigkeit eines Bauelements bzw. eines gesamten Moduls.Heat dissipation of the device and in particular the isothermal cooling of a module with multiple components possible. - The invention leads to a low compared to the prior art thermal load and thus to an increased reliability of a component or an entire module.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.With reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
Figur 1 zeigt eine Anordnung in einem seitlichen Querschnitt.FIG. 1 shows an arrangement in a lateral cross-section.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung in einem seitlichen Querschnitt.Figure 2 shows a section of the arrangement in a lateral cross-section.
Die Ausführungsbeispiele betreffen jeweils eine Anordnung 1 mindestens eines elektrischen Bauelements 2 und mindestens eine Kühlvorrichtung 3 zum Ableiten von Wärme, die im Betrieb des Bauelements 2 entsteht.The exemplary embodiments relate in each case to an arrangement 1 of at least one electrical component 2 and at least one cooling device 3 for dissipating heat which arises during operation of the component 2.
Das elektrische Bauelement 2 ist einThe electrical component 2 is a
Leistungshalbleiterbauelement in Form eines MOSFETs. In einer dazu alternativen Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterbauelement 2 ein IGBT.Power semiconductor component in the form of a MOSFET. In an alternative embodiment, the power semiconductor device 2 is an IGBT.
Das Leistungshalbleiterbauelement 2 ist Bestandteil eines gesamten Moduls 20, bei dem mehrere, nicht dargestellte Leistungshalbleiterbauelemente 2 auf einem einzigen, gemeinsamen Substrat 4 angeordnet und verdrahtet sind. Das Substrat 4 ist ein DCB (Direct Copper Bonding) -Substrat . Bei dem DCB-Substrat 4 ist eine Keramikschicht 41 beidseitig mit Kupferschichten 42 und 42 versehen.The power semiconductor component 2 is part of an entire module 20, in which a plurality of power semiconductor components 2, not shown, are arranged and wired on a single, common substrate 4. The substrate 4 is a DCB (Direct Copper Bonding) substrate. In the DCB substrate 4, a ceramic layer 41 is provided on both sides with copper layers 42 and 42.
Das Leistungshalbleiterbauelement 2 weist eine elektrische Kontaktfläche 21 auf, die großflächig elektrisch kontaktiert ist. Dazu ist das Leistungshalbleiterbauelement 2 derart auf einer der Kupferschichten 42 und 43 des Substrats 4 aufgelötet, dass die zu kontaktierende Kontaktfläche 21 des Leistungshalbleiterbauelements 2 vom Substrat 4 abgekehrt ist. Es resultiert eine Lotbahn 22 zwischen dem Leistungshalbleiterbauelements 2 und der entsprechenden Kupferschicht 42 des Substrats 4. Die Kupferschicht 42 und die Lotbahn 22 dienen der elektrischen Kontaktierung einer weiteren elektrischen Kontaktfläche 23 des Leistungshalbleiterbauelements 2.The power semiconductor component 2 has an electrical contact surface 21, which is electrically contacted over a large area. For this purpose, the power semiconductor component 2 is soldered on one of the copper layers 42 and 43 of the substrate 4 such that the contact surface 21 of the power semiconductor component 2 to be contacted faces away from the substrate 4 is. This results in a soldering track 22 between the power semiconductor component 2 and the corresponding copper layer 42 of the substrate 4. The copper layer 42 and the soldering track 22 serve for electrically contacting a further electrical contact surface 23 of the power semiconductor component 2.
Zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 21 des Leitungshalbleiterbauelements 2 wird eine elektrische Isolationsfolie 5 derart auf das Bauelement 2 und dasFor electrical contacting of the contact surface 21 of the line semiconductor device 2, an electrical insulation film 5 is applied to the device 2 and the
Substrat 4 auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur 24, die vom Leistungshalbleiterbauelement 2 und vom Substrat 4 gebildet wird, in der Oberflächenkontur 51 der Isolationsfolie 5 abgebildet wird, die dem Leistungshalbleiterbauelement 2 und dem Substrat 4 abgekehrt ist (vgl. Figur 2) . Nachfolgend wird in der Isolationsfolie 5 zum Freilegen der Kontaktfläche 21 desSubstrate 4 laminated, that a surface contour 24, which is formed by the power semiconductor device 2 and the substrate 4, is imaged in the surface contour 51 of the insulating film 5, which is the power semiconductor device 2 and the substrate 4 is remote (see Figure 2). Subsequently, in the insulating film 5 to expose the contact surface 21 of the
Leistungshalbleiterbauelements 2 Isolationsmaterial der Isolationsfolie 5 abgetragen. Dies erfolgt durch Laserablation. Es entsteht in der Isolationsfolie ein Fenster 52. Die Kontaktfläche 21 des Leistungshalbleiterbauelements 2 ist frei zugänglich.Power semiconductor component 2 insulation material of the insulation film 5 removed. This is done by laser ablation. The result is a window 52 in the insulating film. The contact surface 21 of the power semiconductor component 2 is freely accessible.
Nach dem Freilegen der Kontaktfläche 21 wird die elektrische Verbindungsleitung 6 zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 21 aufgebracht. Dazu werden auf der Kontaktfläche 21 und auf einer Folienoberfläche 53 der Isolationsfolie 5, die dem Substrat 4 und dem Leistungshalbleiterbauelement 2 abgekehrt ist, elektrisch leitende Materialien strukturiert aufgebracht. Es entsteht eine mehrschichtige elektrische Verbindungsleitung 6 aus mehreren elektrisch leitfähigen Schichten 61. Gleichzeitig wird die elektrische Durchkontaktierung 54 durch die Isolationsfolie 5 erzeugt.After the exposure of the contact surface 21, the electrical connection line 6 is applied for making electrical contact with the contact surface 21. For this purpose, electrically conductive materials are applied in a structured manner on the contact surface 21 and on a film surface 53 of the insulating film 5, which faces away from the substrate 4 and the power semiconductor component 2. The result is a multi-layered electrical connection line 6 of a plurality of electrically conductive layers 61. At the same time, the electrical feedthrough 54 is generated by the insulating film 5.
Den Abschluss der mehrschichtigen Verbindungsleitung 6 bildet eine elektrochemische Abscheidung 62 aus Kupfer. Dazu wird Kupfer aus einer geeigneten Lösung mit Kupferionen galvanisch abgeschieden . Die Kühlvorrichtung ist eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung 3 mit einem Verdampfer 31 für ein Kühlfluid 34. Das Kühlfluid ist ein Fluorinert®. Der Verdampfer 31 weist eine Verdampferoberfläche 311 auf. Auf der Verdampferoberfläche 311 findet ein Verdampfen des Kühlfluids 34 statt. Das Verdampfen erfolgt in den Dampfraum 312 der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung 3. Neben dem Verdampfer 31 weist die Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung 3 einen Verflüssiger 32 zum Kondensieren des Kühlfluids 34 auf. An einerThe conclusion of the multilayer connecting line 6 forms an electrochemical deposition 62 of copper. For this purpose, copper is electrodeposited from a suitable solution with copper ions. The cooling device is a two-phase cooling device 3 with an evaporator 31 for a cooling fluid 34. The cooling fluid is a Fluorinert®. The evaporator 31 has an evaporator surface 311. On the evaporator surface 311 evaporation of the cooling fluid 34 takes place. The evaporation takes place in the vapor space 312 of the two-phase cooling device 3. In addition to the evaporator 31, the two-phase cooling device 3, a condenser 32 for condensing the cooling fluid 34. At a
Verflüssigeroberfläche 321 kondensiert das Kühlfluid 34.Condenser surface 321 condenses the cooling fluid 34.
Der Verdampfer 31 bzw. die Verdampferoberfläche 311 ist in ein Siedebad 36 mit dem Kühlfluid 34 eingetaucht. Es liegt eine Siedebadkühlung vor. Alternativ dazu ist die Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung 3 als „Heatpipe" ausgebildet. Durch Kapillarkräfte wird das Kühlfluid 33 vom Verflüssiger 32 zum Verdampfer 31 transportiert. Die Verdampferoberfläche 311 mit der Kapillarstruktur 313 ist dabei Bestandteil des Fluidkanals 33.The evaporator 31 or the evaporator surface 311 is immersed in a boiling bath 36 with the cooling fluid 34. There is a boiling bath cooling. Alternatively, the two-phase cooling device 3 is designed as a "heat pipe." Capillary forces transport the cooling fluid 33 from the condenser 32 to the evaporator 31. The evaporator surface 311 with the capillary structure 313 forms part of the fluid channel 33.
Der Verdampfer 31 ist über den Dampfraum 312 mit dem Verflüssiger 32 verbunden. Durch den Dampfräum 312 gelangt das gasförmige Kühlfluid 34 zum Verflüssiger 32. Der Dampfraum 312 stellt den Fluidkanal 33 der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung 3 dar.The evaporator 31 is connected to the condenser 32 via the steam space 312. Due to the steam space 312, the gaseous cooling fluid 34 reaches the condenser 32. The vapor space 312 represents the fluid channel 33 of the two-phase cooling device 3.
Der Verflüssiger 32 steht mit einer Wärmesenke 35 in thermisch leitendem Kontakt. Die Wärmesenke 35 weist einen Kupferblock mit Kühlrippen 351 auf. Auf diese Weise wird die beim Kondensieren des Kühlfluids 34 an derThe condenser 32 is in thermal contact with a heat sink 35. The heat sink 35 has a copper block with cooling fins 351. In this way, when condensing the cooling fluid 34 at the
Verflüssigeroberfläche 321 frei werdende Kondensationswärme effizient abgeführt.Condenser surface 321 dissipated condensation heat efficiently dissipated.
Zur effizienten Wärmeableitung vom Bauelement 2 ist die Verdampferoberfläche 321 strukturiert. Die strukturierte Verdampferoberfläche wird von der elektrischen Verbindungsleitung 6 zur Kontaktierung der elektrischen Kontaktfläche 21 des Bauelements 2 gebildet. Die strukturierte Verdampferoberfläche 311 weist eine Kapillarstruktur 313 auf. Über die Kapillarstruktur 313 wird unter Ausnutzung von Kapillarkräften ständig flüssiges bzw. verflüssigtes Kühlfluid 34 herangeführt. Darüber hinaus führt die Strukturierung zu einer Vergrößerung der effektiven, für das Verdampfen nutzbaren Verdampferoberfläche 311. Es kommt zu einem effizienten Kühlen des Leistungshalbleiterbauelements 2.For efficient heat dissipation from the device 2, the evaporator surface 321 is structured. The structured evaporator surface is formed by the electrical connecting line 6 for contacting the electrical contact surface 21 of the component 2. The structured evaporator surface 311 has a capillary structure 313. Liquid or liquefied cooling fluid 34 is constantly brought in via the capillary structure 313 by utilizing capillary forces. In addition, the patterning leads to an enlargement of the effective evaporator surface 311 usable for the evaporation. An efficient cooling of the power semiconductor component 2 occurs.
Zur Verbesserung der Kühlleistung ist die Verflüssigeroberfläche 321 ebenfalls strukturiert. Die Verflüssigeroberfläche 321 weist dazu ebenfalls eine entsprechende Kapillarstruktur 323 auf.To improve the cooling capacity, the condenser surface 321 is also structured. The condenser surface 321 also has a corresponding capillary structure 323 for this purpose.
Zum Herstellen der Kapillarstruktur 313 wird Kupfer strukturiert galvanisch abgeschieden. Dies gelingt mit einer dafür geeigneten Strukturierungsmaske . In einer dazu alternativen Ausführungsform wird die Kapillarstruktur 313 nach dem galvanischen Abscheiden von Kupfer elektromechanisch erzeugt. Es wird Kupfer abgetragen. Die Kapillarstruktur 323 der Verflüssigeroberfläche wird in entsprechender Weise dargestellt .To produce the capillary structure 313, copper is deposited in a patterned manner. This succeeds with a suitable structuring mask. In an alternative embodiment, the capillary structure 313 is electromechanically generated after electrodepositing copper. It is removed copper. The capillary structure 323 of the condenser surface is represented in a corresponding manner.
Um eine Temperaturänderung oder eine Temperaturschwankung auszugleichen, die im Betrieb desTo compensate for a change in temperature or a temperature fluctuation that occurs during operation of the
Leistungshalbleiterbauelements auftreten kann, ist ein Mittel 37 Einstellen der Siedetemperatur des Kühlfluids 34 vorhanden. Das Mittel 37 zum Einstellen der Siedetemperatur ist ein Mittel zum Verändern des Dampfraums 312. Das Mittel zum Verändern des Dampfraums ist ein dehnbarer Balg, mit das Dampfraumvolumen verändert werden kann. Durch die Einstellbarkeit der Siedetemperatur des Kühlfluids 34 kann zu jederzeit, also unabhängig vom der Betriebsphase oder vom Betriebszustand des Leistungshalbleiterbauelements 2 bzw. des Moduls 20 Wärme effizient abgeleitet werden. Power semiconductor device may occur, a means 37 adjusting the boiling temperature of the cooling fluid 34 is present. The boiling temperature adjusting means 37 is a means for changing the steam space 312. The vapor space changing means is a stretchable bellows with which the vapor space volume can be changed. Due to the adjustability of the boiling temperature of the cooling fluid 34, heat can be efficiently dissipated at any time, ie independently of the operating phase or the operating state of the power semiconductor component 2 or of the module 20.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung (1) mindestens eines elektrischen Bauelements1. arrangement (1) of at least one electrical component
(2) und mindestens einer Kühlvorrichtung (3) zum Ableiten von Wärme vom Bauelement (2), wobei die Kühlvorrichtung (3) mindestens eine Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung mit mindestens einem Verdampfer (31) aufweist und der Verdampfer (31) eine Verdampferoberfläche (311) zum Verdampfen eines Kühlfluids (34) in einen mit der Verdampferoberfläche (311) des Verdampfers (31) in Kontakt stehenden Dampfraum (312) der Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verdampferoberfläche (311) von einer elektrischen Verbindungsleitung (6) zur elektrischen Kontaktierung einer elektrischen Kontaktfläche (21) des Bauelements (2) gebildet ist und ein Mittel (37) zum Einstellen einer Siedetemperatur des Kühlfluids (34) vorhanden ist.(2) and at least one cooling device (3) for dissipating heat from the component (2), wherein the cooling device (3) has at least one two-phase cooling device with at least one evaporator (31) and the evaporator (31) has an evaporator surface ( 311) for evaporating a cooling fluid (34) into a vapor space (312) of the two-phase cooling device that is in contact with the evaporator surface (311) of the evaporator (31), characterized in that - the evaporator surface (311) is subject to an electrical Connecting line (6) for electrically contacting an electrical contact surface (21) of the component (2) is formed and a means (37) for adjusting a boiling temperature of the cooling fluid (34) is present.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (37) zum Einstellen der Siedetemperatur ein Mittel zum Verändern eines Dampfraums (312) der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung aufweist, der mit der Verdampferoberfläche (311) des Verdampfers (31) in Kontakt steht.An assembly according to claim 1, wherein the means (37) for adjusting the boiling temperature comprises means for varying a vapor space (312) of the two-phase cooling device which is in contact with the evaporator surface (311) of the evaporator (31).
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zum Verändern des Dampfraums einen dehnbaren Balg aufweist.3. Arrangement according to claim 2, wherein the means for changing the vapor space comprises a stretchable bellows.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verdampferoberfläche (311) strukturiert ist.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the evaporator surface (311) is structured.
5. Anordnung nach Ansprüche 4, wobei die strukturierte Verdampferoberfläche (311) eine Kapillarstruktur (313) aufweist .5. Arrangement according to claims 4, wherein the structured evaporator surface (311) has a capillary structure (313).
6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Kapillarstruktur6. Arrangement according to claim 5, wherein the capillary structure
(313) eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 1000 μm und insbesondere aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 100 μm ausgewählte Abmessung aufweist.(313) one from the range of 0.1 μm up to including 1000 microns and in particular selected from the range of 10 microns to 100 microns inclusive selected dimension.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungsleitung (6) zur Bildung der Verdampferoberfläche (311) eine elektrochemische Abscheidung (62) aufweist,7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein the connecting line (6) for forming the evaporator surface (311) has an electrochemical deposition (62),
8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die elektrochemische Abscheidung (62) Kupfer aufweist.The assembly of claim 7 wherein the electrochemical deposition (62) comprises copper.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zweiphasen-Kühlvorrichtung (3) einen Verflüssiger (32) mit einer strukturierten Verflüssigeroberfläche (321) zum Verflüssigen des Kühlfluids (34) aufweist.An assembly according to any one of claims 1 to 8, wherein the two-phase cooling device (3) comprises a condenser (32) having a structured condenser surface (321) for liquefying the cooling fluid (34).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (3) als Siedebadkühlung mit einem Siedebad (36) zur Aufnahme des Bauelements (2) ausgestaltet ist.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, wherein the two-phase cooling device (3) as Siedebadkühlung with a boiling bath (36) for receiving the device (2) is configured.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bauelement (2) ein Halbleiterbauelement ist.11. Arrangement according to one of claims 1 to 10, wherein the component (2) is a semiconductor device.
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das Halbleiterbauelement ein aus der Gruppe IGBT, Diode, MOSFET, Tyristor und Bipolartransistor ausgewähltes Leistungshalbleiterbauelement ist .12. The arrangement of claim 11, wherein the semiconductor device is one of the group IGBT, diode, MOSFET, thyristor and bipolar transistor selected power semiconductor device.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das elektrische Bauelement (2) derart auf einem Substrat (4) angeordnet ist, dass die elektrische Kontaktfläche (21) des Bauelements (2) vom Substrat (4) abgekehrt ist.13. Arrangement according to one of claims 1 to 12, wherein the electrical component (2) on a substrate (4) is arranged such that the electrical contact surface (21) of the component (2) facing away from the substrate (4).
14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei eine elektrische Isolationsfolie (5) auf das Bauelement (2) und das Substrat (4) auflaminiert ist, so dass eine Oberflächenkontur (24), die durch das Bauelement (2) und das Substrat (4) gebildet ist, in einer Oberflächenkontur (51) der Isolationsfolie (5) abgebildet ist, die dem Bauelement (2) und dem Substrat (4) abgekehrt ist.14. Arrangement according to claim 13, wherein an electrical insulation film (5) on the component (2) and the substrate (4) is laminated, so that a surface contour (24) by the component (2) and the substrate (4) is formed, in a surface contour (51) of the insulating film (5) is shown, which is the device (2) and the substrate (4) turned away.
15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Verbindungsleitung (6) mit der strukturierten Verdampferoberfläche (311) auf der Isolationsfolie (5) aufgebracht ist und zur Kontaktierung der elektrischen Kontaktfläche (21) des Bauelements (2) eine elektrische Durchkontaktierung (54) durch die Isolationsfolie (5) vorhanden ist.15. Arrangement according to claim 13 or 14, wherein the connecting line (6) with the structured evaporator surface (311) on the insulating film (5) is applied and for contacting the electrical contact surface (21) of the component (2) has an electrical feedthrough (54). through the insulating film (5) is present.
16. Verfahren zum Betreiben eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ermitteln einer Zustandsgröße der Anordnung und b) Einstellen der Siedetemperatur des Kühlfluids der Kühlvorrichtung .16. A method of operating an arrangement according to one of claims 1 to 15 with the following method steps: a) determining a state variable of the arrangement and b) adjusting the boiling temperature of the cooling fluid of the cooling device.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei zum Einstellen der17. The method of claim 16, wherein for adjusting the
Siedetemperatur ein Volumen des Dampfraums und/oder ein Dampfdruck des Kühlfluids eingestellt werden. Boiling a volume of the vapor space and / or a vapor pressure of the cooling fluid can be adjusted.
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