Anordnung eines elektrischen Bauelements und einer Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens eines elektrischen Bauelements und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die im Betrieb des Bauelements entsteht .

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise ein aus der WO 03/030247 A2 bekanntes Leistungshalbleitermodul. Das elektrische Bauelement des Leistungshalbleitermoduls ist ein Leistungshalbleiterbauelement, das auf einem Substrat (Schaltungsträger) angeordnet ist. Das Substrat ist beispielsweise ein DCB (Direct Copper Bonding) -Substrat, das aus einer Trägerschicht aus einem keramischen Werkstoff besteht, an der beidseitig elektrisch leitende Schichten aus Kupfer (Kupferfolien) aufgebracht sind. Der keramische Werkstoff ist beispielsweise Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) . Das

Leistungshalbleiterbauelement ist auf einer der elektrisch leitenden Schichten aus Kupfer aufgelötet.

Im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements entsteht eine bestimmte Wärmemenge. Diese Wärmemenge wird durch Wärmeleitung vom Leistungshalbleiterbauelement weg abgeleitet. Die Wärmeleitung erfolgt über die Lotschicht zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und der elektrisch leitenden Kupferschicht hin zur Trägerschicht des Substrats aus Aluminiumoxid. Der spezifische

Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ von Aluminiumoxid beträgt etwa 30 W-m^-K ^"1 . Daher fungiert die Trägerschicht des Substrats bzw. das gesamte Substrat als Kühlvorrichtung zum Ableiten der Wärmemenge, die im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements entsteht.

Im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements kann es zu einer derart starken Wärmeentwicklung kommen, dass die Kühlwirkung des Substrats nicht ausreicht. In Folge davon kann das Leistungshalbleiterbauelement oder die Anordnung des Leistungshalbleiterbauelements auf dem Substrat geschädigt werden.

Aus B. Palm, Transactions of the ASME, Vol. 125 (2003) S. 276 - 281 geht eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements hervor. Die Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Verdampfer (Evaporator) zum Verdampfen eines Kühlfluids, einem Verflüssiger (Condensor) zum Verflüssigen des Kühlfluids und einem Fluidkanal zum Transport des Kühlfluids sowohl als flüssige als auch als gasförmige Phase.

Die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung erlaubt unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswärme des Kühlfluids (Kühlmittel) eine hohe Wärmestromdichte. Die hohe Wärmestromdichte ergibt sich wie folgt: Der Verdampfer ist thermisch leitend mit dem elektrischen Bauelement verbunden. Die im Betrieb des elektrischen Bauelements entstehende Wärme wird auf den Verdampfer übertragen. Die übertragene Wärme führt zum Verdampfen des flüssigen Kühlfluids. Das Kühlfluid geht von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase über. Dabei nimmt das Kühlfluid Verdampfungswärme auf. Durch den Fluidkanal gelangt das gasförmige Kühlfluid zum Verflüssiger. Der Verflüssiger ist mit einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden. Im Verflüssiger kommt es zur Kondensation des gasförmigen Kühlfluids. Das Kühlfluid geht von der gasförmigen Phase in die flüssige Phase über. Dabei wird Kondensationswärme an die Wärmesenke abgegeben. Unter Beteiligung der beiden Phasenübergänge des Kühlfluids resultieren eine hohe Wärmestromdichte und damit ein effizienter Wärmetransport vom Bauelement weg zur Wärmesenke hin.

Durch den Fluidkanal wird das am Verflüssiger verflüssigte Kühlfluid wieder zum Verdampfer zurücktransportiert. Somit liegt ein geschlossener Stoffkreislauf vor. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Fluidkanals und der Art des Rücktransports werden zwei Typen von Zwei-Phasen- Kühlvorrichtungen unterschieden: Bei einem so genannten „Thermosiphon" erfolgt der Rücktransport im Wesentlichen aufgrund der Schwerkraft. Im Gegensatz dazu findet bei einer so genannten „Heatpipe" der Rücktransport im Wesentlichen aufgrund von Kapillarkräften statt.

Um eine gute thermische Anbindung an das elektrische Bauelement bzw. an die Wärmesenke zu erzielen, weisen sowohl der Verdampfer als auch der Verflüssiger ein thermisch hochleitfähiges Metall auf, beispielsweise Aluminium oder

Kupfer. Diese Materialien sind nicht nur thermisch, sondern auch elektrisch hochleitfähig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie ein elektrisches Bauelement effizient gekühlt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung mindestens eines elektrischen Bauelements und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme angegeben, die im Betrieb des Bauelements entsteht. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung mindestens eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung mit mindestens einem Verdampfer eines Kühlfluids aufweist und zwischen dem Bauelement und dem Verdampfer der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung eine elektrische Isolationsfolie angeordnet ist.

Durch diese Anordnung kann Wärme, die im Betrieb des Bauelements entsteht, effizient abgeleitet werden. Gleichzeitig für eine elektrische Isolierung gesorgt, so dass es zu keinem Kurzschluss zwischen dem Bauelement und dem Verdampfer kommt .

Die Isolationsfolie kann direkt oder indirekt mit dem Bauelement und dem Verdampfer verbunden sein. Beispielsweise ist die Isolationsfolie direkt auf das Bauelement oder auf eine elektrische Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements aufgeklebt. Vorzugsweise ist die Isolationsfolie auf das Bauelement oder auf die elektrische Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements auflaminiert . Das Auflaminieren erfolgt vorzugsweise ohne Klebstoff. Die Isolationsfolie wird nicht aufgeklebt. Durch das eingangs beschriebene Verfahren zur großflächigen Kontaktierung kann eine großflächige Verbindungsleitung erzeugt werden. Durch das Auflaminieren der Isolationsfolie auf eine derartige Verbindungsleitung kann eine hohe Wärmestromdichte erreicht werden.

Vorzugsweise ist die Isolationsfolie derart auf das Bauelement auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur des Bauelements in einer Oberflächenkontur der Isolationsfolie abgebildet ist, die dem Bauelement abgekehrt ist. Eine Topographie des Bauelements wird abgeformt. Dazu erfolgt das Auflaminieren vorzugsweise unter Anlegen eines Vakuums, wobei ein besonders inniger und fester Kontakt zwischen dem Bauelement und der Isolationsfolie bzw. der elektrischen Verbindungsleitung und der Isolationsfolie entsteht. Durch den innigen und festen Kontakt werden eine besonders gute thermische Anbindung und gleichzeitig ein robuster Aufbau erreicht .

Als elektrisches Isolationsmaterial der Isolationsfolie ist jeder beliebige Kunststoff denkbar. Vorzugsweise weist die Isolationsfolie ein aus der Gruppe flüssigkristallines Polymer, organisch modifizierte Keramik, Polyacrylat, Polyimid, Polyisocyanat, Polyethylen, Polyphenol, Polyetheretherketon, Polytetrafluorethylen und/oder Epoxid ausgewähltes elektrisches Isolationsmaterial auf.

Eine notwendige Folienstärke (Foliedicke) der verwendeten Isolationsfolie hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise vom Isolationsmaterial der Isolationsfolie, von einem zu erzielenden Wärmefluss durch die Isolationsfolie hindurch oder auch von den Bedingungen, unter denen die Anordnung betrieben wird.

Diese angegebenen Isolationsmaterialien zeichnen sich in der Regel durch relativ niedrige thermische Leitfähigkeitskoeffizienten aus. Um trotzdem eine für die effiziente Entwärmung des Bauelements notwendige thermische Leitfähigkeit zu erzielen, wird eine relativ dünne Isolationsfolie verwendet. Die Folienstärke der Isolationsfolie ist aber so hoch, dass noch eine ausreichende elektrische Isolierung gewährleistet ist. Beispielsweise ist die Folienstärke beispielsweise aus dem Bereich von 10 μm bis 50 μm ausgewählt.

Um eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolierwirkung zu erzielen, weist die Isolationsfolie in einer besonderen Ausgestaltung thermisch leitfähiges Material auf. Die Isolationsfolie besteht aus einem Verbundwerkstoff mit dem elektrischen Isolationsmaterial als Basismaterial und mit dem thermisch leitenden Material als Füllstoff. Das thermisch leitfähige Material ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Besonders geeignet sind keramische Materialien wie Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Diese Materialen sind dem Basismaterial der Isolationsfolie als Pulver beigemengt.

Der Verdampfer und das elektrische Bauelement sind über die Isolationsfolie thermisch leitend miteinander verbunden. Dazu ist in einer besonderen Ausgestaltung der Verdampfer der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung auf die elektrische Isolationsfolie aufgeklebt. Der Verdampfer und die

Isolationsfolie sind über eine KlebstoffSchicht miteinander

verbunden. Für eine gute thermische Anbindung weist der Klebstoff bevorzugt thermisch leitfähige Partikel auf.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Verdampfer der Zwei- Phasen-Kühlvorrichtung und die elektrische Isolationsfolie über einen Druckkontakt miteinander verbunden. Der Verdampfer und die Isolationsfolie werden gegeneinander gepresst. Dies gelingt beispielsweise mit einer Vorspannvorrichtung. Für eine gute thermische Anbindung wird auch hier für eine möglichst große Verbindungsfläche gesorgt.

Die Kühlvorrichtung eignet sich zum Kühlen eines einzigen Bauelements. Aufgrund des effizienten Wärmetransports eignet sich die Kühlvorrichtung insbesondere zum gleichzeitigen Kühlen mehrerer elektrischer Bauelemente, die auf relativ engem Raum aneinander angeordnet sind. Daher weist die Anordnung in einer besonderen Ausgestaltung einen Trägerkörper mit einer Anzahl von elektrischen Bauelementen auf. Der Trägerkörper ist beispielsweise ein Substrat. Auf dem Substrat können mehrere zu kühlende Bauelemente relativ eng aneinander angeordnet werden. Es resultiert eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Integrationsdichte (Anzahl elektrischer Bauelemente pro Flächen- oder Volumeneinheit des Trägerkörpers) . Zudem können elektrische Verbindungsleitungen zwischen den Bauelementen sehr kurz ausgeführt werden mit der Folge, dass geringere elektrische Verluste in den Verbindungsleitungen auftreten.

In einer besonderen Ausgestaltung ist zwischen der elektrischen Isolationsfolie und dem Bauelement mindestens ein Wärmespreizer angeordnet zur Verringerung eines durch den Betrieb des Bauelements verursachten lateralen (flächigen, also nicht in Dickenrichtung der Isolationsfolie) Wärmegradienten in der Isolationsfolie. Dadurch werden Temperaturspitzen während des Betriebs des Bauelements vermieden, die zu einer Schädigung der Isolationsfolie oder der gesamten Anordnung führen könnten. Durch den Einsatz von

Wärmespreizern kann die Integrationsdichte zusätzlich erhöht werden.

Zur Verbesserung der Kühlleistung ist es vorteilhaft, mehrere Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen bzw. mehrere Verdampfer und Verflüssiger zu verwenden. Um Platz zu sparen, weist gemäß einer besonderen Ausgestaltung die Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung mindestens zwei Verdampfer auf, die mit einem Verflüssiger des Kühlfluids über jeweils mindestens einen Fluidkanal zum Transport des Kühlfluids verbunden sind. Vorzugsweise sind mehrere Fluidkanäle vorhanden.

Die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung ist vorzugsweise aus der Gruppe Thermosiphon und/oder Heatpipe und/oder Heatplanar ausgewählt. „Heatplanar" ist eine flächige Ausgestaltung der „Heatpipe".

Das elektrische Bauelement kann ein beliebiges aktives oder passives elektrisches Bauelement sein, bei dem es im Betrieb zu einer derartige Wärmeentwicklung, dass Wärme abgeleitet werden muss. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement . Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein auf einem Schaltungsträger aufgebrachtes SMD (Surface Mounted Device) -Bauelement . In einer besonderen Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement ist. Das

Leistungshalbleiterbauelement ist bevorzugt aus der Gruppe Diode, MOSFET, IGBT, Tyristor und/oder Bipolartransistor ausgewählt .

Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende besonderen Vorteile:

Durch die Isolationsfolie ist eine sehr gute thermische Anbindung des Verdampfers der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung an das Bauelement bei gleichzeitig sehr guter elektrischer

Isolierung des Verdampfers und des Bauelements voneinander gewährleistet .

Es resultiert eine effiziente Kühlung eines elektrischen Bauelements, insbesondere eines

Leistungshalbleiterbauelements bzw. eines ganzen Leistungshalbleitermoduls .

Die Kühlung ist so effizient, dass ein kompakter, Platz sparender Aufbau resultiert. Auf einen relativ großen, voluminösen Kühlkörper kann verzichtet werden.

Es kann eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Integrationsdichte erzielt werden. Dies gilt insbesondere für ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleiterbauelementen.

Zum Herstellen der Anordnung kann auf bekannte Verfahren zur großflächigen, elektrischen Kontaktierung von Bauelementen und insbesondere von

Leistungshalbleiterbauelementen zurückgegriffen werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Figur 1 zeigt eine Anordnung in einem seitlichen Querschnitt.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Anorndung in einem seitlichen Querschnitt.

Die Ausführungsbeispiele betreffen jeweils eine Anordnung 1 mindestens eines elektrischen Bauelements 2 und mindestens einer Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die im Betrieb des Bauelements 2 entsteht. Die Kühlvorrichtung ist eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung 3 mit einem Verdampfer 31 für ein

Kühlfluid 34 und einen Verflüssiger 32 zum Kondensieren des Kühlfluids 34. Der Verdampfer 31 und der Verflüssiger 32 weisen thermisch hoch leitfähiges Aluminium auf.

Zwischen dem elektrischen Bauelement 2 und dem Verdampfer 31 der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung ist eine elektrische Isolationsfolie 4 angeordnet. Die Isolationsfolie 4 ist derart ausgestaltet und aufgebracht, dass das elektrische Bauelement 2 und der Verdampfer 31 elektrisch voneinander isoliert sind und gleichzeitig ein effizienter Wärmeleitpfad vom Bauelement 2 zum Verdampfer 31 hin vorhanden ist. Dazu weist die Isolationsfolie 4 thermisch leitfähige Partikel auf. Diese Partikel weisen Aluminiumoxid auf.

Der Verdampfer 31 ist über einen Fluidkanal 33 mit dem

Verflüssiger 32 verbunden. Durch den Fluidkanal 33 gelangt das gasförmige Kühlfluid 34 zum Verflüssiger 32 bzw. das flüssige Kühlfluid 34 vom Verflüssiger 32 zum Verdampfer 31. Dazu ist die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung als „Heatpipe" ausgeführt. Alternativ dazu ist die Zwei-Phasen- Kühlvorrichtung ein Thermosiphon.

Der Verflüssiger 32 steht mit einer Wärmesenke 35 in thermisch leitendem Kontakt. Die Wärmesenke 35 weist einen Kupferblock mit Kühlrippen auf. Daneben weist die Wärmesenke ein Wärmesenkenfluid auf, das an dem Kupferblock zur Aufnahme von Wärme vorbeigeleitet wird. Das Wärmesenkenfluid ist gemäß einer ersten Ausführungsform Luft, die mit Hilfe eines nicht dargestellten Ventilators an den Kühlrippen der Wärmesenke 35 vorbeigeleitet wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmesenkenfluid eine Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist Wasser, das über eine hohe Wärmekapazität verfügt und daher besonders zur Aufnahme von Wärme geeignet ist. Das Wasser wird mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe am Kühlkörper vorbeigeleitet.

Das elektrische Bauelement 2 ist ein

Leistungshalbleiterbauelement 21 in Form eines MOSFETs. In einer alternativen Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterbauelement 21 ein IGBT.

Das Leistungshalbleiterbauelement 21 ist Bestandteil eines Leistungshalbleitermoduls 26. Bei dem Leistungshalbleitermodul 26 sind mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 21 auf einem Substrat 5 aufgebracht. Das Substrat 5 ist ein DCB-Substrat . Das DCB- Substrat weist eine Trägerschicht 51 aus Aluminiumoxid und beidseitig aufgebrachte elektrische Leistungsschichten 52 und 53 aus Kupfer auf (Figur 2) .

Auf einen Oberflächenabschnitt 55 des DCB-Substrat 5, der durch die Leitungsschicht 52 gegeben ist, ist ein elektrisches Bauelement 2 in Form eines

Leistungshalbleiterbauelements 21 aufgelötet. Es resultiert die Lotschicht 24. Das Leistungshalbleiterbauelement 21 ist derart aufgelötet, dass eine vom DCB-Substrat 5 wegweisende Kontaktfläche 22 des Leitungshalbleiterbauelements 21 resultiert. Zur großflächigen, planaren elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 22 des Leistungshalbleiterbauelements 21 ist eine weitere Isolationsfolie 6 unter Vakuum auflaminert . Die weitere

Isolationsfolie 6 ist dabei derart auf das DCB-Substrat und das Leistungshalbleiterbauelementen 21 auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur 23 des Leistungshalbleiterbauelements 21 und eine Oberflächenkontur 54 des DCB-Substrats 5 in einer Oberflächenkontur 61 der weiteren Isolationsfolie 6 abgebildet ist, die dem DCB-Substrat 5 und dem Leistungshalbleiterbauelement 21 abgekehrt ist. Die Topographie, die sich aus dem Leistungshalbleiterbauelement 21 und dem Substrat 5 ergibt, ist durch die weitere Isolationsfolie 6 abgeformt.

Durch ein Fenster 62 der weiteren Isolationsfolie 6 ist der Kontakt bzw. die Kontaktfläche 22 des

Leistungshalbleiterbauelements 21 elektrisch kontaktiert. Dazu wird das Fenster 62 in der weiteren Isolationsfolie 6 durch Laserablation erzeugt. Die planare elektrische Kontaktierung der Kontaktfläche 22 des Leistungshalbleiterbauelements 21 wird durch eine mehrschichtige Abscheidung 25 von elektrisch leitenden Materialien erzeugt.

Das Leistungshalbleitermodul 26 ist über die weitere elektrische Leitungsschicht 53 auf den Kupferblock der Wärmesenke 35 aufgelötet. Es ist eine weitere Lotschicht 56 vorhanden. Über die Lotschicht 24, der elektrischen Leitungsschicht 52, der Aluminiumoxidschicht 51, der weiteren Leitungsschicht 53 und der weiteren Lotschicht 56 existiert somit ein weiterer Wärmeleitpfad vom Leistungshalbleiterbauelement 21 zur Wärmesenke 35 hin.

Die Isolationsfolie 4, die sich zwischen dem

Leistungshalbleiterbauelement 21 und dem Verdampfer 31 befindet, ist auflaminiert (vgl. weitere Isolationsfolie 6) . Gemäß Figur 2 ist die Isolationsfolie 4 auf die Abscheidung 25 auflaminiert, die die Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 22 des

Leistungshalbleiterbauelements 21 bildet. Somit ist die Oberflächenkontur der Abscheidung in einer Oberflächenkontur der Isolationsfolie abgebildet. Es ist die Topographie der Abscheidung 25 bzw. der Verbindungsleitung abgeformt. In dieser Form ist die Abscheidung 25, die primär der elektrischen Kontaktierung dient, Bestandteil des Wärmeleitpfades vom Leistungshalbleiterbauelement 21 hin zum Verdampfer 31. Durch die Isolationsfolie 4 ist sichergestellt, dass kein Kurzschluss zwischen dem Verdampfer 31 und der Abscheidung 25 auftritt.

Alternativ oder in Kombination mit der voran beschriebenen Ausführungsform ist die Isolationsfolie 4 direkt auf das Leistungshalbleiterbauelement 21 derart auflaminiert, dass die Oberflächenkontur des Leistungshalbleiterbauelements 21 in der Oberflächenkontur der Isolationsfolie 4 abgebildet ist, die dem Leistungshalbleiterbauelement 21 abgekehrt ist. Die Topographie des Leistungshalbleiterbauelements 21 ist durch die Isolationsfolie 4 abgeformt.

Der Verdampfer 31 und das Leistungshalbleiterbauelement 21 sind thermisch leitend miteinander verbunden. Dazu ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Verdampfer 31 auf der Oberseite des Leistungshalbleitermoduls 26 mit Hilfe eines thermisch leitfähigen Klebstoffs auf die Isolationsfolie 4 aufgeklebt. Es ist eine thermisch leitfähige Klebeschicht 41 vorhanden. Über die Klebschicht 41 erfolgt ein effizienter Wärmetransport vom Leistungshalbleiterbauelement 21 hin zum Verdampfer 31 der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung.

In einer dazu alternativen Ausführungsform stehen der Verdampfer 31 und die Isolationsfolie 4 durch einen Druckkontakt miteinander in Verbindung. Der Verdampfer 31 und die Isolationsfolie 4 sind nicht miteinander verklebt, sondern werden gegeneinander gepresst.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich dadurch, dass mehrere Verdampfer 31, mehrere Verflüssiger 32 und/oder mehrere Wärmesenken 35 verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen werden (nicht dargestellte) Wärmespreizer eingesetzt. Die Wärmespreizer sorgen für einen möglichst geringen, lateralen Wärme- bzw. Temperaturgradienten in der Isolationsfolie 4. Dadurch werden Temperaturspitzen vermieden, die zu einer Schädigung der Isolationsfolie 4 oder der gesamten Anordnung führen könnten. Durch den Einsatz von Wärmespreizern wird die Integrationsdichte im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlich erhöht.