WO2020114671A1 - Isolierkeramik für elektrische schaltungen und zugehörige anwendungen - Google Patents

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WO2020114671A1 PCT/EP2019/078916 EP2019078916W WO2020114671A1 WO 2020114671 A1 WO2020114671 A1 WO 2020114671A1 EP 2019078916 W EP2019078916 W EP 2019078916W WO 2020114671 A1 WO2020114671 A1 WO 2020114671A1
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layer
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ceramic insulating
circuit carrier
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Roman Karmazin
Swen Ruppert
Uwe Waltrich
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
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    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/75—Products with a concentration gradient

Definitions

  • the invention relates to a ceramic insulating body, a circuit carrier arrangement with such an insulating body, a circuit arrangement with such a circuit carrier arrangement, a converter with such a circuit arrangement, and an aircraft with such a converter.
  • thermo spreading A high lateral heat conduction ("thermal spreading") of circuit carriers or insulating substrates
  • the ceramic insulation layers are significantly thicker, which will also increase the thermal resistance. Thick and laterally thermally conductive copper tracks are also an advantage here and new cooling concepts are urgently necessary.
  • power modules consist of a large number of individual components and thus of a multi-layer composite of functional and connecting layers.
  • Each layer has a different coefficient of thermal expansion and different mechanical properties.
  • Si3N 4 very break-resistant ceramics are used (Si3N 4) , which, however, only have thermal conductivity of less than 70 W / mK.
  • the A1N ceramic (approx. 200 W / mK), which is often used in power electronics and has a much better heat conductivity, has insufficient crack toughness or breaking strength to withstand the thermomechanical stress with thick metallization layers.
  • Aluminum nitride ceramics are used in particular in high-voltage applications, since very thick insulation layers are necessary to ensure the insulation (e.g. 1 mm for 6.5 kV modules) and the insulation thickness contributes directly to the heat sink in proportion to the thermal resistance of the chip. Thicker copper layers of the insulating substrates are also advantageous here for thermal "spreading". Furthermore, the service life requirements are very demanding, especially in high-voltage applications (for example 40 years in high-voltage direct current applications - HVDC), which is why mechanically more robust AIN ceramics would be desirable. A main cause of failure is currently still the delamination of the metalizations from the AIN ceramic, which reduces the thermal bonding of the chip and can therefore lead to the failure of the systems.
  • Thicker copper layers can be fired on with copper paste systems.
  • the disadvantage is the complex process (stencil printing, expensive firing costs) and the reduced thermal and electrical conductivity of the porous metal or copper pastes.
  • the comparatively low mechanical strength of the ceramics or ceramic substrates is compensated for by expensive and weight-intensive composite materials, which have a thermal expansion coefficient adapted to the ceramic and stiffen the layer composite.
  • a porous AIN ceramic is infiltrated with metal using an elevated temperature and / or an increased pressure, thereby creating a concentration gradient of the metal.
  • a concentration gradient or concentration gradient of a substance (also sometimes referred to as a substance gradient) between two locations of a solid body, a liquid or a gas exists when the concentrations of the substance prevailing there differ from one another.
  • the invention claims a ceramic insulating body (also referred to as an insulating substrate) with particles and / or fibers of at least one metal in a predeterminable region of the insulating body, the concentration of the metal having a gradient which changes the coefficient of thermal expansion and / or the thermal conductivity of the insulating body.
  • the invention offers the advantage that the grading allows thermal expansion coefficients and / or thermal conductivity coefficients from neighboring regions (such as layers) to be matched to one another, so that the difference between these coefficients is reduced.
  • the gradient can be designed to make the coefficient of thermal expansion of the insulating body in an edge region to an adjacent layer more similar to the coefficient of thermal expansion of the adjacent layer. In a further form, the gradient can be designed to increase the heat conduction coefficient of the insulating body in an edge region.
  • a different concentration of metals can be introduced in a lower area than in an outer area. This also covers a continuously increasing grade.
  • the ceramic insulating body can be formed from aluminum nitride and the metal can be copper or aluminum.
  • Another aspect of the invention is to use the ceramic insulating body described above in a circuit carrier arrangement. This makes it possible to bring the different thermal expansion coefficients of a ceramic and a metal closer together, thereby avoiding excessive mechanical stresses caused by thermal alternating stress.
  • the invention claims a circuit carrier arrangement with a ceramic insulating body according to the invention and a metallic first layer on the top of the Isolierkör pers.
  • the circuit carrier arrangement has a metallic second layer on the underside of the insulating body.
  • cooling fins can be formed in the insulating body on the side facing away from the first layer.
  • a metallic heat sink can be integrally connected to the second layer.
  • cooling fins can be formed in the second layer on the side facing away from the first layer.
  • Another aspect of the invention is to use the described circuit carrier arrangement for an electrical circuit. As a result, electrical and electronic circuits can be made more robust against temperature changes.
  • the invention claims a circuit arrangement with a circuit carrier arrangement according to the invention and with at least one power electronic semiconductor component which is arranged on the first layer.
  • Another aspect of the invention is to insert the described circuit arrangement into a converter.
  • the invention claims a power converter with a circuit arrangement according to the invention, the power converter being preferably a converter.
  • Another aspect of the invention is to use the designated power converter in an aircraft, which increases its reliability.
  • the invention claims an aircraft with an inventive converter according to the invention for the electrical supply of an electrical thrust generating unit.
  • the aircraft can be an aircraft and the electric thrust generating unit can have a propeller and an electric motor driving the propeller.
  • the invention offers a number of advantages: Increasing the reliably applied metallization thickness on ceramic insulation substrates and thus increasing the lateral thermal conductivity.
  • Reinforcement of the ceramic through infiltrated metallization e.g. increasing the mechanical robustness of cooling structures.
  • an aluminum metallization on the underside of aluminum nitride substrates for the integral connection to aluminum heat sinks by means of relevant processes (friction, stirring, laser welding, diffusion bonding, 3D printing on an aluminum metallization).
  • a graded structure can be achieved by "diffusion bonding" two metals (eg Al and Cu). Two metals are firmly bonded together under the effect of temperature and pressure. In the process, one is created at the boundary between the two metals Diffusion zone.
  • a converter which is also called an inverter, is a converter that generates an AC voltage with a frequency and amplitude that is changed from an AC voltage or DC voltage.
  • Inverters are often designed as AC / DC-DC / AC inverters or DC / AC inverters, an AC output voltage being generated from an AC input voltage or an input DC voltage via a DC voltage intermediate circuit and clocked semiconductors.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.
  • Fig. 2 shows a circuit carrier arrangement with a two-sided metal coating
  • Fig. 3 shows a further circuit carrier arrangement with a double-sided metal coating
  • 4 shows a circuit arrangement
  • 5 is a block diagram of an inverter with a
  • Fig. 6 an aircraft with an electric flight drive.
  • Fig. 1 shows a cross section through a circuit carrier arrangement 5 with a ceramic insulating body 1, in which cooling fins 1.1 are formed.
  • a metallic first layer 4.1 On the top of the insulating body 1 there is a metallic first layer 4.1.
  • the material of the ceramic insulating body 1 is preferably a porous aluminum nitride, the metallic first layer is preferably made of copper or aluminum.
  • the particles or fibers 2 are preferably made of copper or aluminum and are introduced into the porous ceramic insulating body 1 by known methods of infiltration.
  • the edge layer of the cooling fins 1.1 can also be provided by infiltration with particles or fibers 2 of a metal, as a result of which the heat conductivity of the insulating body 1 in the edge region is increased and thus the heat emission is improved. Due to the graded course of the concentration, thermally induced voltages are reduced in comparison to a pure metal layer on the insulating body 1.
  • An electrical component (not shown) can be arranged on the first layer 4.1 to form a circuit arrangement.
  • Fig. 2 shows a cross section through a further circuit carrier arrangement 5 with a ceramic insulating body 1.
  • a metallic first layer 4.1 On the top of the insulating body 1 there is a metallic first layer 4.1, on the bottom a metallic second layer 4.2 is formed.
  • the material of the insulating body 1 is preferably a porous aluminum nitride, the metallic first and second layers 4.1, 4.2 preferably consist of copper or aluminum.
  • the edge regions 3.1 of the porous ceramic insulating body 1 have particles and / or fibers 2 made of metal, the concentration of the metal showing a graded course.
  • the particles or fibers 2 are preferably made of copper or aluminum and are introduced into the porous ceramic insulating body 1 by infiltration.
  • An electrical component (not shown) can be arranged on the first layer 4.1 to form a circuit arrangement.
  • Fig. 3 shows a cross section through a further circuit carrier arrangement 5 with a ceramic insulating body 1.
  • a metallic first layer 4.1 On the top of the insulating body 1 there is a metallic first layer 4.1, on the underside a metallic second layer 4.2 is formed.
  • the material of the insulating body 1 is preferably a porous aluminum nitride, the metallic first and second layers 4.1, 4.2 preferably consist of copper or aluminum.
  • the thermal expansion coefficient of the insulating body 1 and the first and second layers 4.1, 4.2 have the edge regions 3.1 of the porous ceramic insulating body 1 particles and / or fibers 2 made of metal, the concentration of the metal showing a graded course.
  • the particles or fibers 2 are preferably made of copper or aluminum and are introduced into the porous ceramic insulating body 1 by infiltration.
  • a metallic heat sink 4.2 is arranged cohesively.
  • An electrical component (not shown) can be arranged on the first layer 4.1 to form a circuit arrangement.
  • Fig. 4 shows a cross section through a circuit arrangement with a circuit carrier arrangement 5 with a ceramic insulating body 1.
  • a metallic first layer 4.1 On the top of the insulating body 1 there is a metallic first layer 4.1, on the underside a second layer 4.2 with metallic cooling ribs 4.4 is formed.
  • the material of the insulating body 1 is preferably a porous aluminum nitride, the metallic first layer 4.1 preferably consists of copper or aluminum, the metallic cooling fins 4.4 preferably of aluminum.
  • the edge regions 3.1 of the porous insulating body 1 have particles and / or fibers 2 made of metal, the concentration of the metal showing a graded course.
  • the particles or fibers 2 are preferably made of copper or aluminum and are introduced by infiltration into the porous ceramic insulating body 1.
  • a power electronic semiconductor component 6 is partially arranged as an example of an electrical construction.
  • Fig. 5 shows a block diagram of a converter 7 as an example of a power converter with a circuit carrier arrangement 5 according to FIG. 1 to FIG. 4.
  • the power electronic semiconductor components 6 are seated on the circuit carrier arrangement 5.
  • FIG. 6 shows an electric or hybrid-electric aircraft 8 as an example of an aircraft with a converter 7 according to FIG. 5, which supplies an electric motor 9.2 with electrical energy.
  • the electric motor 9.2 drives a propeller 9.1. Both are part of an electrical thrust generation unit 9.

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Abstract

Die Erfindung gibt einen keramischen Isolierkörper (1) an, aufweisend: - Partikel und/oder Fasern (2) mindestens eines Metalls in einem vorgebbaren Bereich (3) des Isolierkörpers, - wobei die Konzentration des Metalls einen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder den Wärmeleitkoeffizien- ten des Isolierkörpers (1) verändernden Gradienten auf- weist. Eine Schaltungsträgeranordnung, eine Schaltungsanordnung, ein Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Iso- lierkörper werden ebenfalls angegeben.

Description

Beschreibung
Isolierkeramik für elektrische Schaltungen und zugehörige An wendungen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen keramischen Isolierkörper, eine Schaltungsträgeranordnung mit einem derartigen Isolierkörper, eine Schaltungsanordnung mit einer derartigen Schaltungsträ- geranordnung, einen Stromrichter mit einer derartigen Schal tungsanordnung sowie ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Stromrichter .
Hintergrund der Erfindung
Bei der Entwicklung von leistungselektronischen Systemen tre ten in Abhängigkeit des Einsatzgebiets mehrere Problemstel lungen auf :
1. Eine hohe laterale Wärmeleitung („thermische Spreizung") von Schaltungsträgern bzw. Isoliersubstraten
Insbesondere bei luftgekühlten leistungselektronischen Syste men mit einem niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten zum Kühl medium ist ein hoher Temperaturunterschied über eine mög lichst große Kühlfläche anzustreben. Dafür ist eine sehr hohe laterale thermische Leitung durch sehr gut wärmeleitende und möglichst dicke Schichten sehr nahe an der Wärmequelle (= Chip) notwendig. Diese Homogenisierung der Temperatur über einen Kühlkörper führt zur besseren Ausnutzung der Kühlfinnen und verringert dadurch die notwendige Kühlfläche bzw. das Kühlervolumen. Dies kann zum Beispiel in Form von dicken Kup ferleiterbahnen erreicht werden.
Eine hohe Metallisierungsdicke führt jedoch zu erhöhten ther- mo-mechanischen Spannungen auf die Isolation. Insbesondere bei keramischen Substraten führt dies zu einer signifikanten Verringerung der Lebensdauer, weshalb die am Markt erhältli chen Metallisierungsdicken limitiert sind.
2. Eine steigende Keramikdicke durch den Trend zu hochsper renden Halbleiterbauelementen
Bei Hochspannungsmodulen (aktuell 6,5kV, zukünftig > 10 kV durch SiC) sind die Isolationsschichten aus Keramik deutlich dicker, wodurch der thermische Widerstand ebenfalls steigen wird. Hier sind ebenfalls dicke und lateral wärmeleitende Kupferbahnen von Vorteil bzw. neue Kühlkonzepte dringend not wendig .
3. Eine Verringerung der Verbindungsschichten innerhalb eines Leistungsmoduls
Nach dem Stand der Technik bestehen Leistungsmodule aus einer Vielzahl einzelner Komponenten und damit aus einem Viel schichtverbund aus Funktions- und Verbindungsschichten. Jede Schicht besitzt einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten und unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Bei zyklischer Belastung, aufgrund von Temperaturwechsel oder Vibration, erhöht jede Schicht die Ausfallwahrscheinlichkeit. Daher geht der Trend hin zur Reduktion der Schichtenanzahl innerhalb eines Moduls.
4. Die geringe mechanische Festigkeit der Keramik
Wie vorstehend beschrieben, kommt es durch zyklische Belas tung zum Ausfall von Modulen. Insbesondere bei Hochleistungs modulen werden aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeiten Keramiken als Hauptisolatoren eingesetzt. Die aus thermischen Gesichtspunkten zu bevorzugenden hoch-wärmeleitfähigen Kera miken besitzen jedoch eine sehr geringe mechanische Festig keit und stellen daher aus Lebensdauergesichtspunkten eine kritische Komponente dar. Eine laterale Wärmeleitung von klassischen Leistungsmodulen wird hauptsächlich durch die Kupfer-Metallisierungen der ein gesetzten keramischen Isoliersubstrate erreicht. Diese besit zen eine max . laterale Wärmeleitung kleiner 400 W/mK. Für möglichst dicke (> 300 ym) und damit gut wärmespreizende Me tallisierungen (z.B. Kupfer) werden sehr bruchfeste Keramiken eingesetzt (Si3N4) , welche jedoch selbst nur Wärmeleitfähig keiten kleiner 70 W/mK aufweisen. Die in der Leistungselekt ronik häufig eingesetzte und deutlich besser wärmeleitende A1N Keramik (ca. 200 W/mK) weist eine zu geringe Risszähig keit bzw. Bruchfestigkeit auf, um den thermomechanischen Stress bei dicken Metallisierungsschichten standzuhalten.
Die Lebensdauer von keramischen Substraten sinkt signifikant mit steigender Metallisierungsdicke. Daher sind nach dem Stand der Technik keine „Dick-Kupfersubstrate" mit hochwärme leitfähigen Keramiken (A1N) herstellbar, die ausreichend hohe Temperaturwechselfestigkeiten aufweisen, um diese zuverlässig und wirtschaftlich einzusetzen.
Aluminiumnitrid-Keramiken werden insbesondere bei Hochspan nungsanwendungen eingesetzt, da hier sehr dicke Isolations schichten zur Gewährleistung der Isolation notwendig sind (z.B. 1 mm bei 6,5 kV Modulen) und die Isolationsdicke direkt proportional zum thermischen Widerstand des Chips zum Kühl körper beiträgt. Auch hier sind dickere Kupferschichten der Isoliersubstrate zur thermischen „Spreizung" von Vorteil. Des Weiteren sind insbesondere bei Hochspannungsanwendungen die Lebensdaueranforderungen sehr anspruchsvoll (z.B. 40 Jahre bei Hochspannungsgleichstromanwendungen - HVDC) , weshalb me chanisch robustere AIN-Keramiken wünschenswert wären. Eine Hauptausfallursache ist aktuell noch die Delamination der Me tallisierungen von der AIN-Keramik, welche die thermische An bindung des Chips verringert und damit zum Ausfall der Syste me führen kann.
Zur Erhöhung der Temperaturwechselbelastung von A1N- Keramiksubstraten werden umlaufend an den Metallisierungsrän- dern Dimpel-Strukturen zur thermo-mechanischen Schwächung eingebracht. Diese Maßnahme hat jedoch eine Verringerung der nutzbaren Substratfläche zur Folge. Zudem ist die Wirkung nicht so hoch, um deutlich dickere Kupferschichten aufzubrin gen .
Dickere Kupferschichten können mit Kupferpastensystemen auf gebrannt werden. Der Nachteil ist das aufwendige Verfahren (Schablonendruck, teure Brennkosten) und die verminderte thermische und elektrische Leitfähigkeit der porösen Metall- bzw. Kupferpasten.
Im Allgemeinen werden hohe thermische Widerstände und damit einhergehende Lebensdauerprobleme durch die Erhöhung der Chipfläche bzw. einer Überdimensionierung der Leistungsmodule kompensiert. Dies hat hohe Kosten, zusätzliche Peripherie (Ansteuerung usw.) und zusätzliches Gewicht zur Folge.
Die vergleichsweise geringe mechanische Festigkeit der Kera miken bzw. von keramischen Substraten wird durch teure und gewichtsintensive Composite Materialien kompensiert, die ei nen an die Keramik angepassten thermischen Ausdehnungskoeffi zienten aufweisen und den Schichtverbund versteifen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die geschilderten Nachteile von Isolierkeramiken bei ei nem Einsatz in Schaltungsanordnungen vermieden werden können.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, durch Infiltration eines Metalls (z.B. Cu, Al) in ein keramisches Isoliersub- strat (insbesondere Aluminiumnitrid) eine gradierte (= stu fenlose) Anpassung der unterschiedlichen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten der Metallisierung und der Keramik zu er reichen und somit die Metallisierungsdicke deutlich zu erhö hen. Dabei wird unter Anwendung einer erhöhten Temperatur und/oder eines erhöhten Drucks eine poröse AIN-Keramik mit Metall infiltriert, wodurch ein Konzentrationsgradient des Metalls entsteht.
Ein Konzentrationsgefälle oder ein Konzentrationsgradient ei nes Stoffs (auch manchmal als Stoffgradient bezeichnet) zwi schen zwei Orten eines festen Körpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases besteht dann, wenn sich die dort jeweils herr schenden Konzentrationen des Stoffs voneinander unterschei den .
Die Erfindung beansprucht einen keramischen Isolierkörper (auch als Isoliersubstrat bezeichnet) mit Partikel und/oder Fasern mindestens eines Metalls in einem vorgebbaren Bereich des Isolierkörpers, wobei die Konzentration des Metalls einen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder den Wärme leitkoeffizienten des Isolierkörpers verändernden Gradienten aufweist .
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Gradierung thermische Ausdehnungskoeffizienten und/oder Wärmeleitkoeffi- zienten von benachbarten Regionen (wie beispielsweise Schich ten) aneinander angepasst werden können, so dass die Diffe renz dieser Koeffizienten verringert wird.
In einer Weiterbildung kann der Gradient ausgebildet sein, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers in einem Randbereich zu einer angrenzenden Schicht ähnlicher dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der angrenzenden Schicht zu machen. In einer weiteren Ausprägung kann der Gradient ausgebildet sein, den Wärmeleitungskoeffizienten des Isolierkörpers in einem Randbereich zu erhöhen.
Außerdem kann in einem tieferen Bereich eine andere Konzent ration an Metallen eingebracht werden als in einem äußeren Bereich. Damit ist auch eine kontinuierlich gesteigerte Gra dierung mit abgedeckt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der keramische Isolier körper aus Aluminiumnitrid gebildet sein und das Metall Kup fer oder Aluminium sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, den oben be schriebenen keramischen Isolierkörper in einer Schaltungsträ- geranordnung einzusetzen. Dadurch gelingt es, die unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer Kera mik und eines Metalls aneinander anzunähern, wodurch zu star ke mechanische Spannungen durch eine thermische Wechselbelas tung vermieden werden.
Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsträgeranordnung mit einem erfindungsgemäßen keramischen Isolierkörper und einer metallischen ersten Schicht auf der Oberseite des Isolierkör pers .
In einer Weiterbildung weist die Schaltungsträgeranordnung eine metallische zweite Schicht auf der Unterseite des Iso lierkörpers auf.
In einer weiteren Ausgestaltung können in dem Isolierköper auf der der ersten Schicht abgewandten Seite Kühlrippen aus gebildet sein.
In einer weiteren Ausprägung kann ein metallischer Kühlkörper mit der zweiten Schicht Stoffschlüssig verbunden sein. In einer weiteren Ausgestaltung können in der zweiten Schicht auf der der ersten Schicht abgewandten Seite Kühlrippen aus gebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die be schriebene Schaltungsträgeranordnung für eine elektrische Schaltung zu verwenden. Dadurch können elektrische und elekt ronische Schaltungen gegenüber Temperaturwechselbeanspruchen robuster gemacht werden.
Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung und mit mindes tens einem leistungselektronischen Halbleiterbauelement, das auf der ersten Schicht angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die be schriebene Schaltungsanordnung in einem Stromrichter einzu setzen .
Die Erfindung beansprucht einen Stromrichter mit einer erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei der Stromrichter vor zugsweise ein Umrichter ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, den bezeich- neten Stromrichter in einem Luftfahrzeug einzusetzen, wodurch die Ausfallsicherheit dieses erhöht wird.
Die Erfindung beansprucht ein Luftfahrzeug mit einem erfin dungsgemäßen Stromrichter zur elektrischen Versorgung einer elektrischen Schuberzeugungseinheit .
In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein und die elektrische Schuberzeugungseinheit einen Propel ler und einen den Propeller antreibenden Elektromotor aufwei sen .
Die Erfindung bietet eine Vielzahl von Vorteilen: Erhöhung der zuverlässig aufzubringenden Metallisierungsdicke auf keramischen Isolationssubstraten und damit Erhöhung der lateralen Wärmeleitfähigkeit.
Erhöhung der Temperaturwechselfestigkeit von keramischen Iso liersubstraten, durch gradierte Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Isoliersubstrats an die Metallisierungsschicht (z.B. Cu, Al).
Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von keramischen Kühlstruktu ren durch flächige Metallisierungsinfiltration => Verringe rung der thermischen Abklinglänge bzw. Effektivität von kera mischen Kühlstrukturen
Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Keramik durch In filtration
Einbringung von Vorspannungen in die Keramik zur Erhöhung der Zugfestigkeit und Biegefestigkeit der Keramik.
Armierung der Keramik durch infiltrierte Metallisierung (z.B. Erhöhung der mechanischen Robustheit von Kühlstrukturen) .
Verringerung der Schichtenanzahl gegenüber einem konventio nellen Aufbau und einer konventionellen Verbindungstechnik .
Infiltration verschiedener Metalle auf beide Seiten eines flachen Isoliersubstrats (Strukturierte Cu Oberseite als elektrischer Leiter, Aluminiumstruktur auf der Unterseite als korrosionsbeständige Kühlkörpergeometrie) . Eine hohe Schicht stärke durch Infiltration und Gradierung (CTE Anpassung, CTE = Coefficient of Thermal Expansion) ist möglich.
Aufbringen einer Aluminiummetallisierung auf der Unterseite von Aluminiumnitrid-Substraten, zur Stoffschlüssigen Anbin dung an Aluminium-Kühlkörper mittels einschlägiger Verfahren (Reib-, Rührreib-, Laserschweißen, Diffusionsbonden, 3D Dru cken auf einer Al-Metallisierung) . Alternativ zur Infiltration kann eine gradierte Struktur durch „Diffusion bonding" von zwei Metallen (z.B. Al und Cu) erreicht werden. Dabei werden zwei Metalle unter Auswirkung von Temperatur und Druck fest zusammengebunden. Bei dem Pro zess entsteht an der Grenze zwischen den beiden Metallen eine Diffusionszone.
Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird.
Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden .
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen Fig. 1 eine Schaltungsträgeranordnung mit einer einseiti gen Metallbeschichtung,
Fig . 2 eine Schaltungsträgeranordnung mit einer zweiseiti gen Metallbeschichtung,
Fig . 3 eine weitere Schaltungsträgeranordnung mit einer zweiseitigen Metallbeschichtung, Fig. 4 eine Schaltungsanordnung, Fig . 5 ein Blockschaltbild eines Umrichters mit einer
Schaltungsanordnung und
Fig . 6 ein Flugzeug mit einem elektrischen Flugantrieb.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig . 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsträgeran- ordnung 5 mit einem keramischen Isolierkörper 1, in dem Kühl rippen 1.1 ausgebildet sind. Auf der Oberseite des Isolier körpers 1 befindet sich eine metallische erste Schicht 4.1. Das Material des keramischen Isolierkörpers 1 ist vorzugswei se ein poröses Aluminiumnitrid, die metallische erste Schicht besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
Der Randbereich 3.1 des Isolierkörpers 1 weist Partikel und/oder Fasern 2 aus Metall auf, wobei die Konzentration des Metalls einen gradierten Verlauf aufweist (= Gradient) , wodurch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Isolierkör pers 1 an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Schicht 4.1 angepasst wird. Dadurch wird die mechanische Be anspruchung an der Grenzschicht bei Temperaturwechseln ver ringert, da die thermischen Ausdehnungen der benachbarten Ma terialien ähnlicher sind. Die Partikel oder Fasern 2 sind vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium und werden durch be kannte Verfahren der Infiltration in den porösen keramischen Isolierkörper 1 eingebracht.
Optional (nicht dargestellt) kann die Randschicht der Kühl rippen 1.1 ebenfalls durch Infiltration mit Partikeln oder Fasern 2 eines Metalls versehen werden, wodurch die Wärme leitfähigkeit des Isolierkörpers 1 im Randbereich erhöht und somit die Wärmeabgabe verbessert wird. Durch den gradierten Verlauf der Konzentration werden thermisch verursachte Span nungen verringert im Vergleich zu einer reinen Metallschicht auf dem Isolierkörper 1. Auf der ersten Schicht 4.1 kann zur Ausbildung einer Schal tungsanordnung ein nicht dargestelltes elektrisches Bauteil angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Schaltungs trägeranordnung 5 mit einem keramischen Isolierkörper 1. Auf der Oberseite des Isolierkörpers 1 befindet sich eine metal lische erste Schicht 4.1, auf der Unterseite ist eine metal lische zweite Schicht 4.2 ausgebildet. Das Material des Iso lierkörpers 1 ist vorzugsweise ein poröses Aluminiumnitrid, die metallische erste und zweite Schicht 4.1, 4.2 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
Zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers 1 und der ersten und zweiten Schicht 4.1, 4.2 weisen die Randbereiche 3.1 des porösen keramischen Isolier körpers 1 Partikel und/oder Fasern 2 aus Metall auf, wobei die Konzentration des Metalls einen gradierten Verlauf zeigt. Die Partikel oder Fasern 2 sind vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium und werden durch Infiltration in den porösen kera mischen Isolierkörper 1 eingebracht.
Auf der ersten Schicht 4.1 kann zur Ausbildung einer Schal tungsanordnung ein nicht dargestelltes elektrisches Bauteil angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Schaltungs trägeranordnung 5 mit einem keramischen Isolierkörper 1. Auf der Oberseite des Isolierkörpers 1 befindet sich eine metal lische erste Schicht 4.1, auf der Unterseite ist eine metal lische zweite Schicht 4.2 ausgebildet. Das Material des Iso lierkörpers 1 ist vorzugsweise ein poröses Aluminiumnitrid, die metallische erste und zweite Schicht 4.1, 4.2 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
Zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers 1 und der ersten und zweiten Schicht 4.1, 4.2 weisen die Randbereiche 3.1 des porösen keramischen Isolier körpers 1 Partikel und/oder Fasern 2 aus Metall auf, wobei die Konzentration des Metalls einen gradierten Verlauf zeigt. Die Partikel oder Fasern 2 sind vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium und werden durch Infiltration in den porösen kera mischen Isolierkörper 1 eingebracht.
Auf der zweiten Schicht 4.2 ist Stoffschlüssig ein metalli scher Kühlkörper 4.2 angeordnet. Auf der ersten Schicht 4.1 kann zur Ausbildung einer Schaltungsanordnung ein nicht dar gestelltes elektrisches Bauteil angeordnet sein.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltungsträgeranordnung 5 mit einem keramischen Isolierkörper 1. Auf der Oberseite des Isolierkörpers 1 be findet sich eine metallische erste Schicht 4.1, auf der Un terseite ist eine zweite Schicht 4.2 mit metallischen Kühl rippen 4.4 ausgebildet. Das Material des Isolierkörpers 1 ist vorzugsweise ein poröses Aluminiumnitrid, die metallische erste Schicht 4.1 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Alumi nium, die metallischen Kühlrippen 4.4 vorzugsweise aus Alumi nium.
Zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers 1 mit der ersten Schicht 4.1 und der Kühlrip pen 4.4 weisen die Randbereiche 3.1 des porösen Isolierkör pers 1 Partikel und/oder Fasern 2 aus Metall auf, wobei die Konzentration des Metalls einen gradierten Verlauf zeigt. Die Partikel oder Fasern 2 sind vorzugsweise aus Kupfer oder Alu minium und werden durch Infiltration in den porösen kerami schen Isolierkörper 1 eingebracht.
Auf der ersten Schicht 4.2 ist ein leistungselektronisches Halbleiterbauelement 6 als Beispiel eines elektrischen Bau teils angeordnet.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Umrichters 7 als Bei spiel eines Stromrichters mit einer Schaltungsträgeranordnung 5 gemäß Fig. 1 bis Fig. 4. Auf der Schaltungsträgeranordnung 5 sitzen die leistungselektronischen Halbleiterbauelemente 6.
Fig. 6 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Flug- zeug 8 als Beispiel eines Luftfahrzeugs mit einem Umrichter 7 gemäß Fig. 5, der einen Elektromotor 9.2 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 9.2 treibt einen Propeller 9.1 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungs einheit 9.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Keramischer Isolierkörper
1.1 Kühltippen in dem Isolierkörper
2 Partikel und/oder Fasern eines Metalls
3 Bereich des Isolierkörpers 1
3.1 Randbereich des Isolierkörpers 1
4 Angrenzende Schicht
4.1 Erste Schicht
4.2 Zweite Schicht
4.3 Metallischer Kühlkörper
4.4 Metallische Kühlrippen
5 Schaltungsträgeranordnung
6 Leistungselektronisches Halbleiterbauelement
7 Umrichter
8 Flugzeug
9 Elektrische Schuberzeugungseinheit
9.1 Propeller
9.2 Elektromotor

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Isolierkörper (1),
gekennzeichnet durch :
Partikel und/oder Fasern (2) mindestens eines Metalls in einem vorgebbaren Bereich (3) des Isolierkörpers,
wobei die Konzentration des Metalls einen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder den Wärmeleitkoeffizien ten des Isolierkörpers (1) verändernden Gradienten auf weist.
2. Keramischer Isolierkörper (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gradient ausgebildet ist, den thermischen Ausdeh nungskoeffizienten des Isolierkörpers (1) in einem Randbe reich (3.1) zu einer angrenzenden Schicht (4) ähnlicher dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der angrenzenden Schicht (4) zu machen.
3. Keramischer Isolierkörper (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gradient ausgebildet ist, den Wärmeleitungskoeffi zienten des Isolierkörpers (1) in einem Randbereich (3.1) zu erhöhen .
4. Keramischer Isolierkörper (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der keramische Isolierkörper (1) aus Aluminiumnitrid ge bildet ist und das Metall Kupfer oder Aluminium ist.
5. Schaltungsträgeranordnung (5) mit einem keramischen Iso lierkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
eine metallische erste Schicht (4.1) auf der Oberseite des keramischen Isolierkörpers (1).
6. Schaltungsträgeranordnung (5) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch:
eine metallische zweite Schicht (4.2) auf der Unterseite des keramischen Isolierkörpers (1).
7. Schaltungsträgeranordnung (5) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem keramischen Isolierköper (1) auf der der ersten Schicht (4.1) abgewandten Seite Kühlrippen (1.1) ausgebildet sind .
8. Schaltungsträgeranordnung (5) nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch:
einen metallischen Kühlkörper (4.3), der mit der zweiten Schicht (4.2) Stoffschlüssig verbunden ist.
9. Schaltungsträgeranordnung (5) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Schicht (4.2) auf der der ersten Schicht (4.1) abgewandten Seite metallische Kühlrippen (4.4) ausge bildet sind.
10. Schaltungsanordnung mit einer Schaltungsträgeranordnung (5) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
gekennzeichnet durch:
mindestens ein leistungselektronisches Halbleiterbauele ment (6), das auf der ersten Schicht (4.1) angeordnet ist.
11. Stromrichter mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 10.
12. Stromrichter nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stromrichter ein Umrichter (7) ist.
13. Luftfahrzeug mit einem Stromrichter nach Anspruch 11 oder 12 zur elektrischen Versorgung einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit (9).
14. Luftfahrzeug nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Luftfahrzeug ein Flugzeug (8) ist und die elektri sche Schuberzeugungseinheit (9) einen Propeller (9.1) und ei- nen den Propeller (9.1) antreibenden Elektromotor (9.2) auf weist.
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