WO2022096263A1 - Liquid-cooled heat sink, in particular for cooling power electronics components - Google Patents

Liquid-cooled heat sink, in particular for cooling power electronics components Download PDF

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heat sink
copper plate
power electronics
liquid heat
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Franz Wetzl
Marco Lorenz
Christoph Jatzek
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20509—Multiple-component heat spreaders; Multi-component heat-conducting support plates; Multi-component non-closed heat-conducting structures
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Definitions

  • Liquid heat sink in particular for cooling power electronics components
  • the present invention relates to a liquid cooling body for cooling a power electronics component by means of a cooling liquid flowing through the cooling body. Furthermore, the invention relates to a power electronics arrangement comprising at least one power electronics component and a liquid heat sink.
  • Power semiconductors in power electronics carry high electrical currents, for example in vehicles with an electric drive or hybrid vehicles. Heat can be lost during operation, but this can only be dissipated over very small areas. Heat flow densities of up to 1,000 W/cm 2 can be achieved here. For this reason, liquid cooling must be provided in order to avoid overheating, for example of a control unit in the vehicle. Furthermore, the control units of vehicles have to have a certain robustness in order to be able to withstand temperature fluctuations, vibrations, impacts or the like during operation without being damaged. Therefore, such liquid coolers are often designed as die-cast components, which in addition to being heavy also have a relatively high manufacturing cost. An alternative are aluminum coolers made of several components. These aluminum coolers are manufactured using a brazing process.
  • the power electronics components must be connected to the aluminum cooler using a soft soldering process. For this reason, a soft-solderable coating must be provided on the aluminum cooler, for example a copper coating.
  • a soft-solderable coating must be provided on the aluminum cooler, for example a copper coating.
  • copper-coated aluminum coolers are very expensive to produce and, in particular, are expensive heat dissipation over such thin copper coatings is often not possible in a sufficient manner.
  • the liquid heat sink according to the invention for cooling a power electronics component by means of a liquid flowing through the heat sink with the features of claim 1 has the advantage that production of the heat sink can be made significantly cheaper. Furthermore, heat dissipation through the heat sink according to the invention can be significantly improved in comparison with the prior art. According to the invention, this is achieved in that the liquid cooling body is made of aluminum in several parts and has a copper plate for heat dissipation. More precisely, the heat sink comprises an aluminum lower part, an aluminum upper part and an aluminum insert, which is arranged between the aluminum lower part and the aluminum upper part. The copper plate is arranged on the aluminum upper part and further arranged in the area of the aluminum insert. Furthermore, the copper plate is set up for fastening the power electronics component.
  • the heat generated by the power electronics component can first be transferred and dissipated to the copper plate and from the copper plate to the aluminum upper part and from there to the cooling liquid flowing through the aluminum insert.
  • the copper plate makes it possible for the power electronics component or components to be easily soldered onto the aluminum heat sink by means of a soft soldering process.
  • the copper plate which is a separate component and has a certain thickness, can be connected to the aluminum heat sink in a relatively simple and cost-effective manner.
  • the aluminum liquid heat sink with the additional copper plate offers a significantly improved heat dissipation option for power electronic components, which generate relatively large amounts of heat during operation.
  • the heat spread of hotspot heat sources is improved by the copper plate. As a result, thermal damage to such power electronics components or adjacent components and/or the heat sink can be avoided.
  • the copper plate is particularly preferably arranged in a flat recess in the aluminum upper part.
  • the flat recess in the aluminum upper part reduces a wall thickness of the aluminum upper part, so that heat transfer from the copper plate through the aluminum upper part to the coolant can be significantly improved.
  • the flat recess reduces the wall thickness of the aluminum upper part in this area, the necessary strength is still maintained by inserting the copper plate into the flat recess of the heat sink.
  • the copper plate is particularly preferably arranged in the planar recess in such a way that the copper plate does not protrude beyond a surface of the aluminum upper part.
  • the copper plate is particularly preferably arranged in the surface recess in such a way that the surface of the aluminum upper part and the surface of the copper plate form a flat surface.
  • the provision of the thicker copper plate means that no additional installation space is required perpendicular to the surface of the aluminum heat sink. A thickness of the aluminum upper part can thus remain constant.
  • the copper plate is arranged only on a part of the surface of the aluminum top.
  • the copper plate or a plurality of copper plates it is preferably possible for the copper plate or a plurality of copper plates to be provided only at the positions at which power electronic components are provided. A further cost reduction can thereby be made possible, since the entire surface of the aluminum upper part is not covered by the thick copper plate.
  • the aluminum insert is preferably a strip fin component or a pin fin component.
  • the aluminum insert is a meandering tube or channel or a plurality of parallel tubes.
  • an inlet and an outlet are arranged directly on the liquid heat sink.
  • the copper plate has a smaller thickness than a thickness of the aluminum upper part.
  • the copper plate preferably has a thickness of approximately 0.5 to 2.0 mm and the aluminum upper part has a thickness of approximately 1.5 to 2.5 mm. If provided a flat recess, the flat recess particularly preferably has a depth of 0.5 to 2.0 mm in order to be able to completely accommodate the copper plate.
  • the heatsink comprises a plurality of copper plates on the aluminum top.
  • the copper plates are preferably designed with the same dimensions in order to obtain the highest possible number of identical parts.
  • the present invention relates to a power electronics arrangement comprising at least one power electronics component and a liquid heat sink according to the present invention.
  • the power electronics component is fixed to the heat sink by means of the copper plate of the liquid heat sink by means of a soft-soldered connection.
  • the soft-soldered connection is formed at temperatures ⁇ 420°C.
  • the power electronics arrangement comprises a plurality of power electronics components, each power electronics component being fixed to a separate copper plate on the liquid heat sink.
  • all aluminum components of the liquid heat sink are connected by means of a hard-soldered connection, which is formed at temperatures of >590°C.
  • the invention relates to a control device, in particular for vehicles, with a power electronics arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a liquid heat sink of a power electronics arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the liquid heat sink from FIG. 1 with a power electronics component
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a power electronics
  • a power electronics arrangement 1 according to a first exemplary embodiment of the invention is described in detail below with reference to FIGS.
  • FIG. 1 shows the liquid heat sink 3 which comprises an aluminum lower part 30 , an aluminum upper part 31 and an aluminum insert 32 .
  • the aluminum insert 32 is arranged between the aluminum lower part 30 and the aluminum upper part 31 .
  • the liquid heat sink 3 includes a copper plate 7.
  • the copper plate 7 is arranged on the aluminum upper part 31. As can be seen from FIG. 2, the copper plate 7 is arranged in the area of the aluminum insert 32 in order to enable improved heat dissipation.
  • the aluminum upper part 31 has a flat recess 13 to accommodate the copper plate 7 .
  • a surface 7a of the copper plate 7 is flush with a surface 31a of the aluminum upper part 31.
  • the surface 7a of the copper plate 7 and the surface 31a of the aluminum upper part 31 are therefore in a common plane E.
  • the copper plate 7 is therefore not standing from the surface 31a.
  • a power electronics component 2 is attached to the copper plate 7 .
  • a soft-soldered connection 6 is formed between the power electronics component 2 and the copper plate 7 . This is necessary because the power electronics components 2 must be soft-soldered and a hard-soldered connection to aluminum is not possible without damaging the Power electronics component 2 is possible.
  • the soft-soldered connection 6 is preferably formed at temperatures ⁇ 420°C.
  • a cooling liquid flows through the liquid cooling body 3, with an inlet 33 and an outlet 34 for the cooling liquid being provided on the liquid cooling body 3, as shown in FIG.
  • the aluminum insert 32 is a pin-fin component, which is arranged over as large an area as possible of the liquid heat sink 3 .
  • the aluminum components of the liquid heat sink 3 are connected to one another by means of hard-soldered connections 5, which are formed at temperatures of >590°C.
  • the copper plate 7 is connected to the aluminum upper part 31 by means of a low-melting brazing connection 4, which is produced at temperatures of approx. 530°C.
  • a low-melting braze for the low-melting braze joint 4 includes aluminum, silver, copper and silicon.
  • a brazed joint can be formed between the copper plate 7 and the aluminum top 31, which can be brazed below a critical temperature of 548°C, thereby avoiding that an undesirable aluminum-copper phase is generated during the brazing process, which occurs at temperatures above of 548°C occurs.
  • the power electronics component 2 can then be fixed on the copper plate 7 by means of the soft-soldered connection 6 .
  • a thickness of the copper plate 7 is about 0.5 to 2.0 mm.
  • a thickness of the aluminum upper part is approximately 1.5 to 2.5 mm. So that the copper plate 7 does not protrude beyond the surface 31a of the aluminum upper part 31, the flat recess 13 has a depth T which corresponds to the thickness of the copper plate 7.
  • the liquid cooling body 3 through which a cooling liquid flows, enables improved heat spreading, since copper has a higher thermal conductivity than aluminum.
  • the Copper plate 7 are equipped with an appropriate thickness to further improve heat dissipation.
  • the liquid heat sink 3 can be made possible by several aluminum components in a cost-effective manner by means of brazing processes at temperatures >590° C., which offers sufficient connection reliability of the aluminum components.
  • a thermal expansion coefficient of the area of the liquid heat sink 3, which is connected to the power electronics component 2 by means of the soft solder can be reduced by using thicker copper instead of aluminum. As a result, the reliability of the soft solder used to produce the soft-soldered connection 6 can be increased.
  • FIG. 3 shows a power electronics arrangement 1 with a power electronics component 2 and a liquid heat sink 3 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the first exemplary embodiment.
  • the aluminum insert 32 in the second exemplary embodiment is designed as a strip-fin insert.
  • the strip fin insert can be securely connected to the aluminum lower part 30 by means of a hard soldering process, for example.
  • the aluminum insert 32 is also arranged below the copper plate 7 in this case.
  • the copper plate 7 is fixed on the surface 31a of the aluminum upper part 31 by means of a low-melting brazing compound 4 .
  • the copper plate 7 protrudes somewhat from the surface 31a of the aluminum upper part, but this means that a recess in the aluminum upper part 31 can be dispensed with, so that the production costs for this liquid cooling body 3 can be further reduced.
  • This configuration is particularly suitable when there are no installation space problems with regard to the overhang of the copper plate 7 over the surface 31a. Furthermore, this also makes it possible to further reduce the cost of manufacturing the power electronics arrangement 1 .
  • the planar recess 13 in the aluminum upper part 31 can have a smaller depth than the thickness of the copper plate 7 Copper plate 7 is only partially arranged in the flat recess 13 and partially projects beyond the surface 31a.
  • the liquid heat sink 3 can of course also be provided for cooling a large number of power electronics components 2, with each power electronics component 2 then preferably being assigned a separate, separate copper plate 7 and being fixed on the aluminum upper part 31.
  • a two-dimensional expansion of the copper plate 7 is preferably approximately the same size as a two-dimensional recess of the power electronics component 2. This means that the costs for the copper can be kept within limits. However, it is also possible that in the case of power electronic components, which dissipate a very high level of heat, the copper plate 7 also has a larger areal extent than the areal extent of the power electronic component 2 . This can ensure improved heat dissipation.

Abstract

The present invention relates to a liquid-cooled heat sink for cooling a power electronics component (2) using a coolant that flows through the liquid-cooled heat sink, comprising an aluminum lower part (30), an aluminum upper part (31), an aluminum insert (32) arranged between the aluminum lower part (30) and the aluminum upper part (31), and a copper plate (7) arranged on the aluminum upper part (31), wherein the copper plate (7) is arranged in the region of the aluminum insert (32), and wherein the copper plate (7) is designed to secure the power electronics component (2).

Description

Beschreibung description
Titel title
Flüssigkeits-Kühlkörper, insbesondere zur Kühlung von Leistungselektronik- Bauelementen Liquid heat sink, in particular for cooling power electronics components
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeits-Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungselektronik-Bauelements mittels einer durch den Kühlkörper strömenden Kühlflüssigkeit. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik- Anordnung umfassend wenigstens ein Leistungselektronik-Bauelement und einen Flüssigkeits-Kühlkörper. The present invention relates to a liquid cooling body for cooling a power electronics component by means of a cooling liquid flowing through the cooling body. Furthermore, the invention relates to a power electronics arrangement comprising at least one power electronics component and a liquid heat sink.
Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik führen beispielsweise bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybrid-Fahrzeugen hohe elektrische Ströme. Im Betrieb kann hierbei eine Verlustwärme entstehen, welche jedoch nur über sehr kleine Flächen abgeführt werden kann. Hierbei können Wärmestromdichten bis zu 1.000 W/cm2 erreicht werden. Von daher muss eine Flüssigkühlung vorgesehen werden, um eine Überhitzung, beispielsweise eines Steuergeräts des Fahrzeugs, zu vermeiden. Weiterhin muss bei Steuergeräten von Fahrzeugen eine gewisse Robustheit vorliegen, um Temperaturschwankungen, Vibrationen, Schläge oder dergleichen ohne Beschädigung im Betrieb überstehen zu können. Daher sind derartige Flüssigkeits-Kühler häufig als Druckgussbauteile ausgestaltet, wobei diese neben einem hohen Gewicht auch einen relativ großen Herstellungsaufwand aufweisen. Eine Alternative sind aus mehreren Bauteilen hergestellte Aluminiumkühler. Diese Aluminiumkühler werden mittels eines Hartlötprozesses hergestellt. Die Leistungselektronik-Bauelemente müssen allerdings mittels eines Weichlötprozesses an den Aluminiumkühler angebunden werden. Von daher muss auf dem Aluminiumkühler eine weichlötbare Beschichtung vorgesehen werden, beispielsweise eine Kupferbeschichtung. Derartig kupferbeschichtete Aluminiumkühler sind jedoch in ihrer Herstellung sehr teuer und insbesondere ist auch eine Wärmeabfuhr über derartige dünne Kupferbeschichtungen häufig nicht in ausreichender Weise möglich. Power semiconductors in power electronics carry high electrical currents, for example in vehicles with an electric drive or hybrid vehicles. Heat can be lost during operation, but this can only be dissipated over very small areas. Heat flow densities of up to 1,000 W/cm 2 can be achieved here. For this reason, liquid cooling must be provided in order to avoid overheating, for example of a control unit in the vehicle. Furthermore, the control units of vehicles have to have a certain robustness in order to be able to withstand temperature fluctuations, vibrations, impacts or the like during operation without being damaged. Therefore, such liquid coolers are often designed as die-cast components, which in addition to being heavy also have a relatively high manufacturing cost. An alternative are aluminum coolers made of several components. These aluminum coolers are manufactured using a brazing process. However, the power electronics components must be connected to the aluminum cooler using a soft soldering process. For this reason, a soft-solderable coating must be provided on the aluminum cooler, for example a copper coating. However, such copper-coated aluminum coolers are very expensive to produce and, in particular, are expensive heat dissipation over such thin copper coatings is often not possible in a sufficient manner.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Der erfindungsgemäße Flüssigkeits-Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungselektronik-Bauelements mittels einer durch den Kühlkörper strömenden Flüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Herstellung des Kühlkörpers signifikant verbilligt werden kann. Weiterhin kann eine Wärmeabfuhr durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich verbessert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Flüssigkeits-Kühlkörper mehrteilig aus Aluminium hergestellt ist und zur Wärmeabfuhr eine Kupferplatte aufweist. Genauer umfasst der Kühlkörper ein Aluminiumunterteil, ein Aluminiumoberteil und einen Aluminiumeinleger, welcher zwischen dem Aluminiumunterteil und dem Aluminiumoberteil angeordnet ist. Die Kupferplatte ist dabei am Aluminiumoberteil angeordnet und weiter im Bereich des Aluminiumeinlegers angeordnet. Weiterhin ist die Kupferplatte zur Befestigung des Leistungselektronik-Bauelements eingerichtet. Somit kann die durch das Leistungselektronik-Bauelement erzeugte Wärme zuerst auf die Kupferplatte und von der Kupferplatte auf das Aluminiumoberteil und von dort auf die den Aluminiumeinleger durchströmende Kühlflüssigkeit übertragen und abgeführt werden. Weiterhin ermöglicht die Kupferplatte, dass das oder die Leistungselektronik-Bauelemente auf einfache Weise auf den Aluminiumkühlkörper mittels eines Weichlötvorgangs aufgelötet werden können. Dabei kann eine Anbindung der Kupferplatte, welche ein separates Bauteil ist und eine gewisse Dicke aufweist, auf relativ einfache und kostengünstige Weise an den Aluminiumkühlkörper erfolgen. Somit bietet der Flüssigkeits-Kühlkörper aus Aluminium mit der zusätzlichen Kupferplatte eine deutlich verbesserte Wärmeabfuhrmöglichkeit für Leistungselektronik-Bauelemente, welche im Betrieb eine relativ große Wärmeentwicklung aufweisen. Insbesondere die Wärmespreizung von Hotspot-Wärmequellen wird durch die Kupferplatte verbessert. Dadurch können thermische Schäden an derartigen Leistungselektronik-Bauelementen bzw. benachbarten Bauteilen und/oder dem Kühlkörper vermieden werden. The liquid heat sink according to the invention for cooling a power electronics component by means of a liquid flowing through the heat sink with the features of claim 1 has the advantage that production of the heat sink can be made significantly cheaper. Furthermore, heat dissipation through the heat sink according to the invention can be significantly improved in comparison with the prior art. According to the invention, this is achieved in that the liquid cooling body is made of aluminum in several parts and has a copper plate for heat dissipation. More precisely, the heat sink comprises an aluminum lower part, an aluminum upper part and an aluminum insert, which is arranged between the aluminum lower part and the aluminum upper part. The copper plate is arranged on the aluminum upper part and further arranged in the area of the aluminum insert. Furthermore, the copper plate is set up for fastening the power electronics component. Thus, the heat generated by the power electronics component can first be transferred and dissipated to the copper plate and from the copper plate to the aluminum upper part and from there to the cooling liquid flowing through the aluminum insert. Furthermore, the copper plate makes it possible for the power electronics component or components to be easily soldered onto the aluminum heat sink by means of a soft soldering process. In this case, the copper plate, which is a separate component and has a certain thickness, can be connected to the aluminum heat sink in a relatively simple and cost-effective manner. Thus, the aluminum liquid heat sink with the additional copper plate offers a significantly improved heat dissipation option for power electronic components, which generate relatively large amounts of heat during operation. In particular, the heat spread of hotspot heat sources is improved by the copper plate. As a result, thermal damage to such power electronics components or adjacent components and/or the heat sink can be avoided.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Besonders bevorzugt ist die Kupferplatte in einer flächigen Ausnehmung im Aluminiumoberteil angeordnet. Die flächige Ausnehmung im Aluminiumoberteil reduziert dabei eine Wandstärke des Aluminiumoberteils, so dass eine Wärmeübertragung von der Kupferplatte durch das Aluminiumoberteil auf die Kühlflüssigkeit signifikant verbessert werden kann. Zwar reduziert die flächige Ausnehmung die Wandstärke des Aluminiumoberteils in diesem Bereich, allerdings wird die notwendige Festigkeit durch Einsetzen der Kupferplatte in die flächige Ausnehmung des Kühlkörpers trotzdem erhalten. The dependent claims show preferred developments of the invention. The copper plate is particularly preferably arranged in a flat recess in the aluminum upper part. The flat recess in the aluminum upper part reduces a wall thickness of the aluminum upper part, so that heat transfer from the copper plate through the aluminum upper part to the coolant can be significantly improved. Although the flat recess reduces the wall thickness of the aluminum upper part in this area, the necessary strength is still maintained by inserting the copper plate into the flat recess of the heat sink.
Die Kupferplatte wird besonders bevorzugt derart in der flächigen Ausnehmung angeordnet, dass kein Überstand der Kupferplatte über eine Oberfläche des Aluminiumoberteils vorhanden ist. Besonders bevorzugt ist die Anordnung der Kupferplatte in der Flächenausnehmung derart ausgestaltet, dass die Oberfläche des Aluminiumoberteils und die Oberfläche der Kupferplatte eine ebene Fläche bilden. Somit wird durch das Vorsehen der dickeren Kupferplatte kein zusätzlicher Bauraum senkrecht zur Oberfläche des Aluminiumkühlkörpers benötigt. Eine Dicke des Aluminiumoberteils kann somit konstant bleiben. The copper plate is particularly preferably arranged in the planar recess in such a way that the copper plate does not protrude beyond a surface of the aluminum upper part. The copper plate is particularly preferably arranged in the surface recess in such a way that the surface of the aluminum upper part and the surface of the copper plate form a flat surface. The provision of the thicker copper plate means that no additional installation space is required perpendicular to the surface of the aluminum heat sink. A thickness of the aluminum upper part can thus remain constant.
Weiter bevorzugt ist die Kupferplatte nur an einem Teil der Oberfläche des Aluminiumoberteils angeordnet. Dadurch ist es bevorzugt möglich, dass die Kupferplatte oder mehrere Kupferplatten nur an den Positionen vorgesehen werden, an denen Leistungselektronik-Bauelemente vorgesehen sind. Dadurch kann eine weitere Kostenreduktion ermöglicht werden, da nicht die gesamte Oberfläche des Aluminiumoberteils durch die dicke Kupferplatte bedeckt ist. More preferably, the copper plate is arranged only on a part of the surface of the aluminum top. As a result, it is preferably possible for the copper plate or a plurality of copper plates to be provided only at the positions at which power electronic components are provided. A further cost reduction can thereby be made possible, since the entire surface of the aluminum upper part is not covered by the thick copper plate.
Der Aluminiumeinleger ist vorzugsweise ein Strip-Fin-Bauteil oder ein Pin-Fin- Bauteil. Alternativ ist der Aluminiumeinleger ein mäanderförmig verlaufendes Rohr oder Kanal oder mehrere parallel verlaufende Rohre. The aluminum insert is preferably a strip fin component or a pin fin component. Alternatively, the aluminum insert is a meandering tube or channel or a plurality of parallel tubes.
Weiter bevorzugt sind am Flüssigkeits-Kühlkörper direkt ein Einlass und ein Auslass angeordnet. More preferably, an inlet and an outlet are arranged directly on the liquid heat sink.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Kupferplatte eine kleinere Dicke als eine Dicke des Aluminiumoberteils auf. Vorzugsweise weist die Kupferplatte eine Dicke von ca. 0,5 bis 2,0 mm auf und das Aluminiumoberteil weist eine Dicke von ca. 1 ,5 bis 2,5 mm auf. Bei Vorsehen einer flächigen Ausnehmung weist die flächige Ausnehmung besonders bevorzugt eine Tiefe von 0,5 bis 2,0 mm auf, um die Kupferplatte vollständig aufnehmen zu können. According to a further preferred embodiment of the invention, the copper plate has a smaller thickness than a thickness of the aluminum upper part. The copper plate preferably has a thickness of approximately 0.5 to 2.0 mm and the aluminum upper part has a thickness of approximately 1.5 to 2.5 mm. If provided a flat recess, the flat recess particularly preferably has a depth of 0.5 to 2.0 mm in order to be able to completely accommodate the copper plate.
Vorzugsweise weist der Kühlkörper mehrere Kupferplatten auf dem Aluminiumoberteil auf. Die Kupferplatten sind vorzugsweise mit gleichen Abmessungen ausgebildet, um eine möglichst hohe Gleichteileanzahl zu erhalten. Preferably, the heatsink comprises a plurality of copper plates on the aluminum top. The copper plates are preferably designed with the same dimensions in order to obtain the highest possible number of identical parts.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung umfassend wenigstens ein Leistungselektronik-Bauelement und einen Flüssigkeits-Kühlkörper gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungselektronik-Bauelement ist dabei mittels der Kupferplatte des Flüssigkeits-Kühlkörpers mittels einer Weichlötverbindung auf dem Kühlkörper fixiert. Die Weichlötverbindung wird dabei bei Temperaturen < 420°C ausgebildet. Furthermore, the present invention relates to a power electronics arrangement comprising at least one power electronics component and a liquid heat sink according to the present invention. The power electronics component is fixed to the heat sink by means of the copper plate of the liquid heat sink by means of a soft-soldered connection. The soft-soldered connection is formed at temperatures < 420°C.
Weiter bevorzugt umfasst die Leistungselektronik-Anordnung mehrere Leistungselektronik-Bauelemente, wobei jedes Leistungselektronik-Bauelement an einer separaten Kupferplatte am Flüssigkeits-Kühlkörper fixiert ist. More preferably, the power electronics arrangement comprises a plurality of power electronics components, each power electronics component being fixed to a separate copper plate on the liquid heat sink.
Weiter bevorzugt sind alle aus Aluminium vorgesehenen Bauteile des Flüssigkeits-Kühlkörpers mittels einer Hartlötverbindung, die bei Temperaturen von > 590°C ausgebildet wird, verbunden. More preferably, all aluminum components of the liquid heat sink are connected by means of a hard-soldered connection, which is formed at temperatures of >590°C.
Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung. Furthermore, the invention relates to a control device, in particular for vehicles, with a power electronics arrangement according to the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Preferred embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
Figur 1 eine schematische Draufsicht eines Flüssigkeits-Kühlkörpers einer Leistungselektronik-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine schematische Schnittansicht des Flüssigkeits-Kühlkörpers von Figur 1 mit einem Leistungselektronik-Bauelement, und FIG. 1 shows a schematic top view of a liquid heat sink of a power electronics arrangement according to a first exemplary embodiment of the invention, FIG. 2 shows a schematic sectional view of the liquid heat sink from FIG. 1 with a power electronics component, and
Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer Leistungselektronik-Figure 3 is a schematic sectional view of a power electronics
Anordnung mit einem Flüssigkeits-Kühlkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Arrangement with a liquid heat sink according to a second embodiment of the invention.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Preferred Embodiments of the Invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Leistungselektronik-Anordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. A power electronics arrangement 1 according to a first exemplary embodiment of the invention is described in detail below with reference to FIGS.
Figur 1 zeigt dabei den Flüssigkeits-Kühlkörper 3, welcher ein Aluminiumunterteil 30, ein Aluminiumoberteil 31 und einen Aluminiumeinlegeteil 32 umfasst. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist das Aluminiumeinlegeteil 32 zwischen dem Aluminiumunterteil 30 und dem Aluminiumoberteil 31 angeordnet. FIG. 1 shows the liquid heat sink 3 which comprises an aluminum lower part 30 , an aluminum upper part 31 and an aluminum insert 32 . As can be seen from FIG. 2, the aluminum insert 32 is arranged between the aluminum lower part 30 and the aluminum upper part 31 .
Ferner umfasst der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 eine Kupferplatte 7. Die Kupferplatte 7 ist am Aluminiumoberteil 31 angeordnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Kupferplatte 7 dabei im Bereich des Aluminiumeinlegeteils 32 angeordnet, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Furthermore, the liquid heat sink 3 includes a copper plate 7. The copper plate 7 is arranged on the aluminum upper part 31. As can be seen from FIG. 2, the copper plate 7 is arranged in the area of the aluminum insert 32 in order to enable improved heat dissipation.
Das Aluminiumoberteil 31 weist eine flächige Ausnehmung 13 auf, um die Kupferplatte 7 aufzunehmen. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist eine Oberfläche 7a der Kupferplatte 7 bündig zu einer Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31. Damit liegen die Oberfläche 7a der Kupferplatte 7 und die Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31 in einer gemeinsamen Ebene E. Somit steht die Kupferplatte 7 nicht von der Oberfläche 31a vor. The aluminum upper part 31 has a flat recess 13 to accommodate the copper plate 7 . As can be seen from Figure 2, a surface 7a of the copper plate 7 is flush with a surface 31a of the aluminum upper part 31. The surface 7a of the copper plate 7 and the surface 31a of the aluminum upper part 31 are therefore in a common plane E. The copper plate 7 is therefore not standing from the surface 31a.
Ein Leistungselektronik-Bauelement 2 ist, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, an der Kupferplatte 7 befestigt. Hierbei ist eine Weichlötverbindung 6 zwischen dem Leistungselektronik-Bauelement 2 und der Kupferplatte 7 ausgebildet. Dies ist notwendig, da die Leistungselektronik-Bauelemente 2 weichgelötet werden müssen und eine Hartlötverbindung zu Aluminium nicht ohne Beschädigung des Leistungselektronik-Bauelements 2 möglich ist. Die Weichlötverbindung 6 wird vorzugsweise bei Temperaturen < 420°C ausgebildet. As can be seen from FIG. 2, a power electronics component 2 is attached to the copper plate 7 . In this case, a soft-soldered connection 6 is formed between the power electronics component 2 and the copper plate 7 . This is necessary because the power electronics components 2 must be soft-soldered and a hard-soldered connection to aluminum is not possible without damaging the Power electronics component 2 is possible. The soft-soldered connection 6 is preferably formed at temperatures <420°C.
Der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, wobei, wie in Figur 1 gezeigt, am Flüssigkeits-Kühlkörper 3 ein Einlass 33 und ein Auslass 34 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. A cooling liquid flows through the liquid cooling body 3, with an inlet 33 and an outlet 34 for the cooling liquid being provided on the liquid cooling body 3, as shown in FIG.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Aluminiumeinlegeteil 32 ein Pin-Fin- Bauteil, welches über eine möglichst größere Fläche des Flüssigkeits- Kühlkörpers 3 angeordnet ist. In this exemplary embodiment, the aluminum insert 32 is a pin-fin component, which is arranged over as large an area as possible of the liquid heat sink 3 .
Die Aluminiumbauteile des Flüssigkeits-Kühlkörpers 3 sind mittels Hartlötverbindungen 5, welche bei Temperaturen von > 590°C ausgebildet werden, miteinander verbunden. Die Kupferplatte 7 ist mittels einer niederschmelzenden Hartlötverbindung 4, welche bei Temperaturen von ca. 530°C hergestellt wird, mit dem Aluminiumoberteil 31 verbunden. Ein niederschmelzendes Hartlot für die niederschmelzende Hartlötverbindung 4 umfasst dabei Aluminium, Silber, Kupfer und Silizium. The aluminum components of the liquid heat sink 3 are connected to one another by means of hard-soldered connections 5, which are formed at temperatures of >590°C. The copper plate 7 is connected to the aluminum upper part 31 by means of a low-melting brazing connection 4, which is produced at temperatures of approx. 530°C. A low-melting braze for the low-melting braze joint 4 includes aluminum, silver, copper and silicon.
Somit kann zwischen der Kupferplatte 7 und dem Aluminiumoberteil 31 eine Hartlötverbindung ausgebildet werden, welche unterhalb einer kritischen Temperatur von 548°C hartgelötet werden kann, wodurch vermieden wird, dass eine unerwünschte Aluminium-Kupfer-Phase während des Hartlötvorgangs erzeugt wird, welche bei Temperaturen oberhalb von 548°C auftritt. Thus, a brazed joint can be formed between the copper plate 7 and the aluminum top 31, which can be brazed below a critical temperature of 548°C, thereby avoiding that an undesirable aluminum-copper phase is generated during the brazing process, which occurs at temperatures above of 548°C occurs.
Nachdem der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 derart hergestellt wurde, kann dann auf die Kupferplatte 7 das Leistungselektronik-Bauelement 2 mittels der Weichlötverbindung 6 fixiert werden. After the liquid heat sink 3 has been produced in this way, the power electronics component 2 can then be fixed on the copper plate 7 by means of the soft-soldered connection 6 .
Eine Dicke der Kupferplatte 7 beträgt ca. 0,5 bis 2,0 mm. Eine Dicke des Aluminiumoberteils beträgt ca. 1 ,5 bis 2,5 mm. Damit die Kupferplatte 7 nicht über die Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31 vorsteht, weist die flächige Ausnehmung 13 eine Tiefe T auf, die der Dicke der Kupferplatte 7 entspricht. A thickness of the copper plate 7 is about 0.5 to 2.0 mm. A thickness of the aluminum upper part is approximately 1.5 to 2.5 mm. So that the copper plate 7 does not protrude beyond the surface 31a of the aluminum upper part 31, the flat recess 13 has a depth T which corresponds to the thickness of the copper plate 7.
Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Flüssigkeits-Kühlkörper 3, durch den eine Kühlflüssigkeit hindurchströmt, eine verbesserte Wärmespreizung, da Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweist. Dabei kann die Kupferplatte 7 mit einer entsprechenden Dicke ausgestattet werden, um die Wärmeabfuhr weiter zu verbessern. Hierdurch ist es möglich, dass die Leistungselektronik-Bauelemente insgesamt für höhere elektrische Ströme bei einer gleichen Halbleiterfläche ausgelegt werden können. Weiterhin kann der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 durch mehrere Aluminiumbauteile auf kostengünstige Weise mittels Hartlötverfahren bei Temperaturen > 590°C, welche eine ausreichende Verbindungssicherheit der Aluminiumbauteile bietet, ermöglicht werden. Ferner kann ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Bereichs des Flüssigkeits-Kühlkörpers 3, der mittels des Weichlots an das Leistungselektronik- Bauelement 2 angebunden ist, durch das Einsetzen von dickerem Kupfer anstelle von Aluminium verringert werden. Hierdurch kann eine Erhöhung einer Zuverlässigkeit des verwendeten Weichlots zur Herstellung der Weichlötverbindung 6 ermöglicht werden. Thus, the liquid cooling body 3 according to the invention, through which a cooling liquid flows, enables improved heat spreading, since copper has a higher thermal conductivity than aluminum. The Copper plate 7 are equipped with an appropriate thickness to further improve heat dissipation. This makes it possible for the power electronics components to be designed overall for higher electrical currents with the same semiconductor area. Furthermore, the liquid heat sink 3 can be made possible by several aluminum components in a cost-effective manner by means of brazing processes at temperatures >590° C., which offers sufficient connection reliability of the aluminum components. Furthermore, a thermal expansion coefficient of the area of the liquid heat sink 3, which is connected to the power electronics component 2 by means of the soft solder, can be reduced by using thicker copper instead of aluminum. As a result, the reliability of the soft solder used to produce the soft-soldered connection 6 can be increased.
Figur 3 zeigt eine Leistungselektronik-Anordnung 1 mit einem Leistungselektronik-Bauelement 2 und einem Flüssigkeits-Kühlkörper 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel das Aluminiumeinlegeteil 32 als Strip-Fin- Einlegeteil ausgebildet. Das Strip-Fin-Einlegeteil kann beispielsweise mittels eines Hartlötvorganges mit dem Aluminiumunterteil 30 sicher verbunden werden. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, ist das Aluminiumeinlegeteil 32 hierbei ebenfalls unterhalb der Kupferplatte 7 angeordnet. Weiterhin ist die Kupferplatte 7 auf der Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils 31 mittels einer niederschmelzenden Hartlötverbindung 4 fixiert. Dadurch steht die Kupferplatte 7 zwar etwas von der Oberfläche 31a des Aluminiumoberteils vor, allerdings kann dadurch auf eine Ausnehmung im Aluminiumoberteil 31 verzichtet werden, so dass die Herstellungskosten für diesen Flüssigkeits-Kühlkörper 3 nochmals reduziert werden können. Diese Ausgestaltung ist dabei besonders geeignet, wenn keine Bauraumprobleme hinsichtlich des Überstands der Kupferplatte 7 über die Oberfläche 31a vorhanden sind. Ferner kann dadurch auch eine Fertigung der Leistungselektronik-Anordnung 1 weiter verbilligt werden. FIG. 3 shows a power electronics arrangement 1 with a power electronics component 2 and a liquid heat sink 3 according to a second exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the first exemplary embodiment. In contrast to the first exemplary embodiment, the aluminum insert 32 in the second exemplary embodiment is designed as a strip-fin insert. The strip fin insert can be securely connected to the aluminum lower part 30 by means of a hard soldering process, for example. As can be seen from FIG. 3, the aluminum insert 32 is also arranged below the copper plate 7 in this case. Furthermore, the copper plate 7 is fixed on the surface 31a of the aluminum upper part 31 by means of a low-melting brazing compound 4 . As a result, the copper plate 7 protrudes somewhat from the surface 31a of the aluminum upper part, but this means that a recess in the aluminum upper part 31 can be dispensed with, so that the production costs for this liquid cooling body 3 can be further reduced. This configuration is particularly suitable when there are no installation space problems with regard to the overhang of the copper plate 7 over the surface 31a. Furthermore, this also makes it possible to further reduce the cost of manufacturing the power electronics arrangement 1 .
Zu den beiden Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass es selbstverständlich auch denkbar ist, dass die flächige Ausnehmung 13 im Aluminiumoberteil 31 eine kleinere Tiefe aufweist als eine Dicke der Kupferplatte 7. Somit ist die Kupferplatte 7 nur teilweise in der flächigen Ausnehmung 13 angeordnet und steht teilweise über die Oberfläche 31a vor. Weiterhin sei angemerkt, dass der Flüssigkeits-Kühlkörper 3 selbstverständlich auch zur Kühlung einer Vielzahl von Leistungselektronik-Bauelementen 2 vorgesehen sein kann, wobei vorzugsweise jedem Leistungselektronik-Bauelement 2 dann eine separate, eigene Kupferplatte 7 zugeordnet wird und auf dem Aluminiumoberteil 31 fixiert wird. Regarding the two exemplary embodiments, it should be noted that it is of course also conceivable for the planar recess 13 in the aluminum upper part 31 to have a smaller depth than the thickness of the copper plate 7 Copper plate 7 is only partially arranged in the flat recess 13 and partially projects beyond the surface 31a. It should also be noted that the liquid heat sink 3 can of course also be provided for cooling a large number of power electronics components 2, with each power electronics component 2 then preferably being assigned a separate, separate copper plate 7 and being fixed on the aluminum upper part 31.
Weiterhin sei angemerkt, dass vorzugsweise eine flächige Ausdehnung der Kupferplatte 7 ungefähr gleich groß ist wie eine flächige Ausnehmung des Leistungselektronik-Bauelements 2. Dadurch können die Kosten für das Kupfer im Rahmen gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, dass bei Leistungselektronik-Bauelementen, welche eine sehr hohe Wärmeabgabe haben, die Kupferplatte 7 auch eine größere flächige Ausdehnung als die flächige Ausdehnung des Leistungselektronik-Bauelements 2 aufweist. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeabfuhr sichergestellt werden. Furthermore, it should be noted that a two-dimensional expansion of the copper plate 7 is preferably approximately the same size as a two-dimensional recess of the power electronics component 2. This means that the costs for the copper can be kept within limits. However, it is also possible that in the case of power electronic components, which dissipate a very high level of heat, the copper plate 7 also has a larger areal extent than the areal extent of the power electronic component 2 . This can ensure improved heat dissipation.

Claims

- 9 - Ansprüche - 9 - Claims
1. Flüssigkeits-Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungselektronik-Bauelements (2) mittels einer durch den Flüssigkeits-Kühlkörper strömenden Kühlflüssigkeit, umfassend 1. liquid heat sink for cooling a power electronics component (2) by means of a cooling liquid flowing through the liquid heat sink, comprising
- ein Aluminiumunterteil (30), - an aluminum base (30),
- ein Aluminiumoberteil (31), - an aluminum top (31),
- ein Aluminiumeinlegeteil (32), welches zwischen dem Aluminiumunterteil (30) und dem Aluminiumoberteil (31) angeordnet ist, und - an aluminum insert (32) which is arranged between the aluminum lower part (30) and the aluminum upper part (31), and
- eine Kupferplatte (7), welche am Aluminiumoberteil (31) angeordnet ist,- a copper plate (7), which is arranged on the aluminum upper part (31),
- wobei die Kupferplatte (7) im Bereich des Aluminiumeinlegeteils (32) angeordnet ist, und - wherein the copper plate (7) is arranged in the area of the aluminum insert (32), and
- wobei die Kupferplatte (7) zur Befestigung des Leistungselektronik- Bauelements (2) eingerichtet ist. - Wherein the copper plate (7) is set up for fastening the power electronics component (2).
2. Flüssigkeits-Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Kupferplatte (7) in einer flächigen Ausnehmung (13) des Aluminiumoberteils (31) angeordnet ist. 2. Liquid heat sink according to claim 1, wherein the copper plate (7) is arranged in a flat recess (13) of the aluminum upper part (31).
3. Flüssigkeits-Kühlkörper nach Anspruch 2, wobei die Kupferplatte (7) derart in der flächigen Ausnehmung (13) angeordnet ist, dass kein Überstand der Kupferplatte (7) über eine Oberfläche (31a) des Aluminiumoberteils (31) vorhanden ist. 3. Liquid heat sink according to claim 2, wherein the copper plate (7) is arranged in the planar recess (13) such that the copper plate (7) does not protrude beyond a surface (31a) of the aluminum upper part (31).
4. Flüssigkeits-Kühlkörper nach Anspruch 3, wobei die Oberfläche (31a) des Aluminiumoberteils (31) und die Oberfläche (7a) der Kupferplatte (7) eine ebene Fläche (E) bilden. 4. Liquid heat sink according to claim 3, wherein the surface (31a) of the aluminum top (31) and the surface (7a) of the copper plate (7) form a flat surface (E).
5. Flüssigkeits-Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferplatte (7) nur an einem Teil der Oberfläche des Aluminiumoberteils (31) angeordnet ist. Flüssigkeits-Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aluminiumeinlegeteil (32) ein Strip-Fin-Bauteil oder ein Pin-Fin-Bauteil ist. Flüssigkeits-Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferplatte (7) eine kleinere Dicke als eine Dicke des Aluminiumoberteils (31) aufweist. Flüssigkeits-Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere separate Kupferplatten (7), welche an der Oberfläche (31a) des Aluminiumoberteils (31) angeordnet sind. Leistungselektronik-Anordnung umfassend wenigstens ein Leistungselektronik-Bauelement (2) und einen Flüssigkeits-Kühlkörper (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungselektronik-Bauelement (2) an der Kupferplatte (7) des Flüssigkeits- Kühlkörpers (3) mittels einer Weichlötverbindung (6) fixiert ist. Leistungselektronik-Anordnung nach Anspruch 9, umfassend mehrere Leistungselektronik-Bauelemente (2), wobei jedes Leistungselektronik- Bauelement (2) an einer separaten Kupferplatte (7) am Kühlkörper (3) fixiert ist. 5. Liquid heat sink according to one of the preceding claims, wherein the copper plate (7) is arranged only on a part of the surface of the aluminum top part (31). Liquid heat sink according to one of the preceding claims, in which the aluminum insert (32) is a strip-fin component or a pin-fin component. Liquid heat sink according to one of the preceding claims, wherein the copper plate (7) has a smaller thickness than a thickness of the aluminum top part (31). Liquid heat sink according to one of the preceding claims, comprising a plurality of separate copper plates (7) which are arranged on the surface (31a) of the aluminum top part (31). Power electronics arrangement comprising at least one power electronics component (2) and a liquid heat sink (3) according to one of the preceding claims, the power electronics component (2) being attached to the copper plate (7) of the liquid heat sink (3) by means of a soft-soldered connection (6) is fixed. Power electronics arrangement according to Claim 9, comprising a plurality of power electronics components (2), each power electronics component (2) being fixed to a separate copper plate (7) on the heat sink (3).
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