WO2010020438A1

WO2010020438A1 - Kühleinrichtung

Info

Publication number: WO2010020438A1
Application number: PCT/EP2009/055817
Authority: WO
Inventors: Bernd Brendel; Martin Helsper; Stephan Martin; Harald Ponath
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für wenigstens zwei Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Leistungsmodule. Erfindungsgemäß weist diese Kühleinrichtung eine Grundplatte (2) und einer Deckplatte (4) auf, wobei die Grundplatte (2) als Gussteil ausgebildet ist und eine beliebige Kühlkanalgeometrie aufweist und wobei diese Grundplatte (2) und die Deckplatte (4) miteinander nicht lösbar verbunden sind. Somit erhält man eine Kühleinrichtung, bei der eine beliebige Kühlkanalgeometrie preiswert hergestellt werden kann.

Description

Beschreibung

Kühleinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für wenigstens zwei Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT- Leistungsmodule .

Bei IGBT-Leistungsmodulen, auch als HV-IGBT-Module bezeich- net, handelt es sich um Halbleitermodule, die mit ihrer

Grundplatte auf eine Kühleinrichtung geschraubt werden. Diese HV-IGBT-Module haben beispielsweise folgende Abmessungen: 140x190 mm. Ein derartiges HV-IGBT-Modul wird mit höchstens sechs Schrauben mit einer Kühleinrichtung lösbar verbunden. Mit diesen Schrauben muss die gesamte Grundplatte des Moduls derart auf die Kühleinrichtung befestigt werden, dass die gesamte Grundplatte thermisch leitend mit der Kühleinrichtung verbunden ist.

Ein Kühlkörper-Baustein mit zwei Leistungshalbleitermodulen ist in der Ausführungsform Flüssigkeitskühlung in der Figur 4 der DE 298 13 254 Ul dargestellt. Dieser Kühlkörper-Baustein weist wenigstens einen Kühlkanal auf, der mit einem Zu- und Ablauf verbunden ist. Dieser Kühlkanal bzw. die Kühlkanäle verlaufen in unmittelbarer Nähe einer Montageseite des Kühlkörper-Bausteins. Der Kühlkörper-Baustein besteht aus einem Aluminium-Strangprofil, in dem der bzw. die Kühlkanäle eingebracht sind.

Um die Herstellung eines derartigen Kühlkörpers zu vereinfachen, wird gemäß der Einleitung der DE 102 03 238 Al vorgeschlagen, diesen Kühlkörper bzw. diese Kühleinrichtung zweiteilig aufzubauen. Bei diesen beiden Teilen handelt es sich um eine Kühlplatte und um eine Abdeckung, auch als Deckel be- zeichnet. In diese Kühlplatte werden mehrere nebeneinander liegende Nuten gefräst, die in den Endbereichen in eine gefräste Ausnehmung münden. Diese gefrästen Ausnehmungen sind mittels einer Bohrung mit einem Anschluss verbunden. Nachdem die Fräsarbeiten abgeschlossen sind, wird der Deckel mit der Kühlplatte verbunden. Dabei kann der Deckel mit der Kühlplatte verschweißt oder verschraubt werden. Bei dieser Verbindung muss der Deckel derart auf der Kühlplatte befestigt sein, dass die Nuten flüssigkeitsdicht verschlossen sind. Das heißt, diese Nuten bilden zusammen mit dem Deckel einen bzw. mehrere Kühlkanäle. Ein Nachteil dieser zweiteiligen Ausführungsform einer Kühleinrichtung besteht darin, dass diese gebildeten Kühlkanäle nicht 100% flüssigkeitsdicht sind. Kühl- flüssigkeit kann durch Spalte, gebildet von einer Nutwand und dem Deckel, austreten. Dies führt zur so genannten Spaltkorrosion. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine derartige Kühleinrichtung wegen der vielen Bearbeitungsschritte in der Herstellung teuer ist.

In dieser DE 102 03 238 Al wird ein Kühlbaustein vorgestellt, der weniger Bearbeitungsschritte benötigt, so dass dieser Kühlbaustein gegenüber einem herkömmlichen wesentlich preiswerter ausfällt. Dies wird dadurch erreicht, dass dieser Kühlbaustein aus mehreren Strangprofilen aufgebaut ist, die miteinander nicht lösbar verbunden sind. Als nicht lösbare Verbindung wird geschweißt oder geklebt. Dieser Kühlbaustein besteht aus einem Aluminiumstrangprofil und zwei U-Strangpro- filen. Dieses Aluminiumstrangprofil weist einen Bereich auf, in dem mehrere Kühlmittelkanäle nebeneinander angeordnet sind. Außerdem weist dieser Bereich jeweils schmalseitig einen Bereich auf, der für die Aufnahme von Befestigungsmitteln des oder der zu kühlenden Halbleitermodule vorgesehen ist. Die Stirnbereiche dieses Alumniumstrangprofils sind jeweils mit einer Ausnehmung versehen. Alle Kühlmittelkanäle beginnen bzw. enden in einer Ausnehmung des Aluminiumstrangprofils. Dadurch sind diese Kühlmittelkanäle flüssigkeitsmäßig parallel geschaltet. Über diese Stirnbereiche des Aluminiumstrangprofils werden jeweils ein U-Strangprofil gestülpt und mit dem Aluminiumstrangprofil verschweißt. Diese U-Strangprofile weisen jeweils ein Anschlussmittel auf. Somit bildet diese Ausnehmung zusammen mit einem U-Strangprofil einen Kühlmittelverteiler bzw. einen Kühlmittelsammler. Die Kühlmittelka- näle im Aluminiumstrangprofil sind im einfachsten Fall mittels Bohrungen entstanden.

Aus der DE 26 17 776 Al ist eine weitere Kühleinrichtung be- kannt, die als Kühldose für einen Thyristor eingesetzt wird. Diese Kühleinrichtung weist als zentrales Bauelement ein Aluminiumstrangprofil auf, das quaderförmig ausgebildet ist. Dieses Aluminiumstrangprofil ist von Stirnseite zu Stirnseite mit mehreren Bohrungen versehen. Jeweils um zwei Bohrungen einer Stirnseite sind jeweils eine nutförmige Ausnehmung angeordnet. Diese nutförmigen Ausnehmungen werden zur Vervollständigung von Strömungswegen jeweils mit Stahlplättchen flüssigkeitsdicht verschlossen. Das heißt, diese Stahlplättchen werden mit den nutförmigen Ausnehmungen verklebt, verlö- tet oder verschweißt. Mittels einer nutförmigen Ausnehmung und deren kühlmitteldichten Abschließens mit einem Stahlplättchen werden zwei Bohrungen kühlmittelmäßig miteinander verbunden. Somit entstehen aus den mehreren Bohrungen des Aluminiumstrangprofils erst durch die nutförmigen Ausnehmun- gen und deren kühlmitteldichtes Abschließen Kühlmittelkanäle. Die kühlmitteldichten Verbindungen treten nicht mehr wie bei einer zweiteiligen Kühleinrichtung im Inneren der Kühleinrichtung auf, sondern außen an den Stirnseiten der Kühleinrichtung. Somit tritt keine Spaltkorrosion mehr auf. Außerdem kann diese Kühldose in Serienfertigung preiswert hergestellt werden. Wegen der vielen Schweißhandlungen ist diese Kühldose immer noch zeitaufwändig in der Herstellung. Außerdem kann diese Kühldose nur Kühlkanäle aufweisen, die flüssigkeitsmäßig parallel oder gegenläufig betrieben werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung anzugeben, die eine beliebige Kühlkanalgeometrie aufweist und trotzdem preiswert hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Kühleinrichtung zweiteilig aufgebaut ist, besteht die Möglichkeit, die Grundplatte mit einer beliebigen Kühlkanalgeometrie zu versehen. Damit diese Grundplatte mit einer beliebigen Kühlkanalgeometrie preiswert hergestellt werden kann, ist diese Kühlplatte als Gussteil, insbesondere als Aluminiumgussteil, ausgebildet. Für das Gießen einer derartigen Grundplatte wird eine Gießform benötigt, mit der eine Vielzahl von Grundplatten hergestellt werden kann. Da eine Kühlkanalgeometrie nicht mehr mittels Fräsen und Bohren er- zeugt wird, kann diese jede beliebige Gestalt annehmen, die gießtechnisch realisiert werden kann. Außerdem weist diese erfindungsgemäß gegossene Grundplatte der zweiteiligen Kühleinrichtung gegenüber einer Grundplatte aus einem bearbeiteten Aluminiumstrangprofil ein geringeres Gewicht auf, da nur dort Material gussseitig platziert wird, wo Kühlkanäle, mon- tageseitige Verschraubungspunkte und Versteifungselemente es erforderlich machen.

Diese gegossene Grundplatte wird mittels einer Deckplatte verschlossen, wodurch die Kühlkanäle entstehen. Diese beiden Teile der zweiteiligen Kühleinrichtung werden nicht lösbar miteinander verbunden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden diese beiden Teile hart verlötet, wobei zwischen Grundplatte und Deckplatte ein Lotblech aus Aluminium ange- ordnet wird, das korrespondierend zur Aufnahmeseite der

Grundplatte ausgestaltet ist. Das heißt, an Stellen, wo durch Aufbringen der Deckplatte eine Kühlkanalgeometrie entstehen soll, weist dieses Lotblech Ausnehmungen auf. Durch dieses Hartlöten werden diese beiden Teile mittels des Lotblechs miteinander verbacken.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung schematisch veranschau- licht ist.

In dieser Figur sind mit 2 eine Grundplatte, mit 4 eine Deckplatte und mit 6 eine Einlage bezeichnet. Die Deckplatte 4 besteht aus Aluminium, insbesondere aus gewalztem Aluminium. Diese Deckplatte 4 ist derart bemessen, dass diese die Grundplatte 2 vollständig abdeckt. Die Grundplatte 2 ist erfindungsgemäß als Gussteil ausgebildet.

In der dargestellten Ausführungsform weist die Grundplatte 2 eine großflächige Ausnehmung 8 und eine nutförmige Ausnehmung 10 auf. Zwischen dieser großflächigen Ausnehmung 8 und der nutförmigen Ausnehmung 10 ist eine Materialfläche 12 vorgese- hen, die als Montagebereich für die zu kühlenden Bauelemente vorgesehen ist. Außerdem dient diese Materialfläche 12 als Stütze der Deckplatte 4. Diese nutförmige Ausnehmung 10 und die großflächige Ausnehmung 8 sind jeweils mittels einer weiteren nutförmigen Ausnehmung 14 und 16 mit einer Stirnseite 18 der Grundplatte 2 der zweiteiligen Kühleinrichtung verbunden. Diese beiden nutförmigen Ausnehmungen 14 und 16 bilden zusammen mit der Deckplatte 4 einen Kühlmittelzu- bzw. ab- lauf, die jeweils mit einem Anschlussmittel, die hier nicht explizit dargestellt sind, versehen sind. An diesen An- Schlussmitteln wird ein äußerer Kühlkreislauf angeschlossen. Zwischen der großflächigen Ausnehmung 8, den beiden nutförmigen Ausnehmungen 14 und 16 und der Stirnseite 18 der Grundplatte 2 ist ebenfalls eine Materialfläche 20 vorgesehen, die als Montagebereich und als Stütze der Deckplatte 4 vorgesehen ist. Diese Materialbereiche 12 und 20 müssen derart gestaltet sein, damit diese für die nutförmigen Ausnehmungen 10, 14 und 16 und die großflächige Ausnehmung 8 jeweils eine Seitenwand bilden. Das heißt, diese Materialbereiche 12 und 20 können materialmäßig derart reduziert werden, dass an diese Materi- albereiche 12 und 20 gestellte Anforderungen erfüllt werden.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist eine Einlage 6 vorgesehen, die in die großflächige Ausnehmung 8 angeordnet wird. Diese Einlage 6 dient dazu, dass die durch die großflächige Ausnehmung 8 fließende Kühlflüssigkeit intensiv verwirbelt wird. Die dadurch entstehenden Turbulenzen verhindern laminare Strömungen und gewährleisten so einen effizienten Wärmeübergang von der Deckplatte 4 aus Aluminium auf die Kühlflüssigkeit. Wie diese Einlage 6 ausgestaltet werden kann und wie diese Einlage 6 in der großflächigen Ausnehmung anzuordnen ist, sind der DE 41 31 739 Al zu entnehmen. In den Figuren 5 bis 7 dieser DE 41 31 739 Al sind mehrere Ausführungsformen der Einlage 6 zu entnehmen, wobei in Figur 2 dieser Offenlegungsschrift die genaue Platzierung der Einlage 6 in einer großflächigen Ausnehmung 8 angegeben ist.

Um nun die Grundplatte 2 mit einer beliebig geformten Kühlkanalgeometrie herstellen zu können, wird eine Gussform hergestellt. In dieser Gussform wird dann flüssiges Aluminium gegossen. Nach dem Abkühlen dieser Form, die zweiteilig ausgeführt ist (Wiederverwendung) , wird die gegossene Grundplatte 2 aus dieser Form genommen. Bevor diese Grundplatte 2 mit einer Deckplatte 4 verlötet wird, muss gegebenenfalls die Fläche, die das Lotblech aufnimmt, bearbeitet, beispielsweise geschliffen, werden. Danach können die Teile Grundplatte 2, Lötblech und Deckplatte 4 aufeinander gestapelt und räumlich zueinander fixiert und verspannt werden. Diese verspannte

Kühleinrichtung wird dann bei einer vorbestimmten Temperatur und für eine vorbestimmte Zeitspanne in einem Ofen untergebracht. Durch die Temperatureinwirkung verbacken Deckplatte 4 und Grundplatte 2 zu einer Kühleinrichtung.

Durch die Ausgestaltung der Grundplatte dieser zweiteiligen erfindungsgemäßen Kühleinrichtung als Gussteil kann jede beliebige Kühlkanalgeometrie realisiert werden, die mit einer Bearbeitungsmaschine in einer Grundplatte aus Aluminium- Strangprofil nur mit sehr viel Zeitaufwand realisiert werden könnte. Dadurch ist diese Grundplatte der erfindungsgemäßen zweiteiligen Kühleinrichtung besonders preiswert, so dass die erfindungsgemäße Kühleinrichtung gegenüber den im Handel erhältlichen Kühleinrichtungen eine wesentliche Kosteneinspa- rung aufweist. Außerdem ist diese erfindungsgemäße Kühleinrichtung gewichtsreduziert, da bei der Erstellung einer Gussform nur dort Material vorgesehen wird, wo diese gemäß ge- stellter Anforderungen erforderlich ist. Dadurch wird nicht nur an Gewicht gespart, sondern auch Ressourcen eingespart.

Claims

Patentansprüche

1. Kühleinrichtung für wenigstens zwei Leistungshalbleitermodule, insbesondere IGBT-Leistungsmodule, mit einer Grundplat- te (2) und einer Deckplatte (4), wobei die Grundplatte (2) als Gussteil ausgebildet ist und eine beliebige Kühlkanalgeometrie aufweist, und wobei diese Grundplatte (2) und die Deckplatte (4) miteinander nicht lösbar verbunden sind.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kühlkanalgeometrie wenigstens eine Ausnehmung (8) und zwei nutför- mige Ausnehmungen (14, 16) aufweist, wobei diese nutförmigen Ausnehmungen (14, 16) jeweils mit einem Ende dieser großflä- chigen Ausnehmung (8) verknüpft sind.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Grund^¬ platte (2) ein Aluminiumgussteil ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Deck^¬ platte (4) ein Strangprofil ist.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Deckplatte (4) mittels eines Lotblechs mit der Grundplatte (2) hart verlötet ist.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Lot^¬ blech aus Aluminium besteht.

7. Kühleinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Einla^¬ ge (6) in der Ausnehmung (8) der Grundplatte (2) angeordnet ist .

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einlage (6) aus Aluminium besteht.