Beschreibung

Kühlkörper

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Transistoren und Mikroprozessoren erzeugen im Betrieb ein beträchtliches Maß an Abwärme. Um eine überhitzung zu verhindern, die zu Fehlfunktionen oder zur Zerstörung der Bauelemente führen kann, reicht die natürliche Wärmeabstrahlung bei modernen Prozessoren für Personal Computer, IGBTs, MOSFETs u. a. ohne weitere Hilfsmittel nicht aus. Um eine optimale Kühlung sowie wenig Verlustleistung zu gewährleisten, muss die Abwärme möglichst schnell vom Bauteil abgeführt und die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert werden. Zur Kühlung wird oft an der Wärmeableitplatte zusätzlich noch mittels Wärmeleitpaste ein Kühlkörper angeordnet. Die Kühlung kann mit Luft oder Flüssigkeit unterstützt erfolgen. Im ersten Fall ist der Kühlkörper ein berippter Metallblock, oft aus Aluminium oder Kupfer, oft mit zusätzlich auf dem Kühlkörper angebrachten Lüftern. Im zweiten Fall besteht der Kühlkörper aus einem mit Fluid durchströmten Wärmeübertrager.

Leistungselektronikmodule wie beispielsweise IGBTs, DCB-Elemente, MOSFETs u. a. werden heute mehrteilig aufgebaut. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung und im späteren Betrieb ist der große Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikträger und von Cu-Wärmeableitplatten, welche als mechanischer Stabilisator und zur Wärmeableitung dienen. Beim Löt / Bondprozess (DCB) wird beispielsweise Lot aus einer SnAgCu-Legierung über

den Schmelzpunkt bei 221 ⁰ C hinaus bis zu einer Löttemperatur von 250 - 26O ⁰ C und die Wärmeableitplatte auf bis zu 260°C erhitzt. Beim anschließenden Abkühlen verformt sich das komplette Bauteil, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik mit 4-6x10 ^'6 1/K sich sehr stark von dem Wert der Cu- Wärmeableitplatte mit 17X10 ^"6 1/K unterscheiden. Unter ungünstigen Bedingungen können die auftretenden Spannungen so groß werden, dass die Keramik reißt. Abhilfe könnte eine Wärmeableitplatte aus einem Werkstoff mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten und ausreichend guter thermischer Leitfähigkeit schaffen. Diese Werkstoffe sind durch ihre Zusammensetzung und ihre Herstellungsprozesse jedoch sehr teuer.

Mit der Einführung der SMD-Technik entstand alternativ auch die Möglichkeit, Chip-Carrier mit ihren Anschlüssen durch Anschlussdrähte direkt auf herkömmliche Epoxid-Glas-Laminate zu bestücken. Bei Leadless Ceramic Chip-Carrier (LCCC) kommt es jedoch durch den linearen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 6-8x10 ^"6 1/K gegenüber dem höheren Wert von ca. 12-15 x10 ^"6 1/K des verwendeten Werkstoffes der Leiterplatte ebenfalls zu starken Scherspannungen zwischen Chip-Carrier und Lötstelle. Diese Spannungen können zu Abrissen der Chip-Carrier von der Lötstelle bzw. sogar zu Rissen im Chip-Carrier führen.

Abhilfe kann durch den Einbau von Kernsubstraten in Multilayer-Schaltungen geschaffen werden, wobei dann hauptsächlich Cu-Invar-Cu eingesetzt wird. Die Cu-Invar-Cu-Lagen sind symmetrisch im Multilayer angeordnet und können als Masse- und Versorgungsebene verwendet werden. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass nahe der Oberfläche der Schaltung ein thermischer Ausdehnungskoeffizient im Bereich 1 ,7-2 x10 ^"6 1/K vorliegt, der dem Wert der keramischen Chip-Carrier angepasst ist. Je größer das SMD-Bauteil, desto mehr besteht die Notwendigkeit, den Ausdehnungskoeffizienten der Multilayer-Oberfläche dem von Keramik anzupassen.

In alternativen Lösungen kann im Multilayer Cu-Invar-Cu das Invar auch als dicker Metallkern von 0,5 mm bis 1 ,5 mm in die Mitte des Multilayers angeordnet

werden. Der Vorteil liegt neben der Begrenzung des Ausdehnungskoeffizienten an der Schaltungsoberfläche, vor allem in der zusätzlichen guten Wärmeableitung. Hierdurch ist auch eine beidseitige Bestückung mit SMD-Bauteilen möglich. Die Cu-Invar-Cu-Leiterplatten können neben der Ausdehnungskontrolle der Oberfläche auch noch die Funktion einer Wärmesenke einnehmen.

Als weitere spezielle Lösung ist aus der Druckschrift WO 2006/109660 A1 ein Kühlkörper für Leistungshalbleiterbauelemente bekannt. An der gemeinsamen Berührungsfläche ist zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement eine Zwischenschicht zum Abbau von thermischen Spannungen angeordnet. Diese Zwischenschicht besteht aus einer Aluminiumplatte, die eine Vielzahl von Löchern zum Spannungsabbau aufweist. Die Zwischenschicht ist bauteilseitig mit einer auf einem Isolatorsubstrat vollflächig aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht und dem Kühlkörper verlötet.

Des Weiteren ist aus der Druckschrift DE 101 34 187 B4 eine Kühleinrichtung für Leistungshalbleitermodule, bestehend aus einem Gehäuse, Anschlusselementen, einem keramischen Substrat und Halbleiterbauelementen bekannt. Die Wärmeableitung von einem Leistungshalbleitermodul erfolgt über einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem ebenen Grundkörper und einer fingerartigen Fortsetzung bestehen. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Die nicht dem zu kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelemente können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule weiterzuentwickeln, deren Verbund den thermisch bedingten Spannungen standhält.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente mit einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte ein, bei dem die Wärmeableitplatte auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine matrixförmig strukturierte Oberfläche mit hervortretenden Erhebungen aufweist, wobei die Wärmeableitplatte und matrixförmig strukturierte Oberfläche aus einem Stück gefertigt sind.

Die Erfindung geht dabei von der überlegung aus, dass die matrixförmig strukturierte Oberfläche des Kühlkörpers geeignet ist, die auftretenden thermisch bedingten Spannungen durch elastische Verformung aufzunehmen. Die metallische Wärmeableitplatte mit der strukturierten Oberfläche kann aus hochleitfähigem Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise E-Cu, SE-Cu, ETP-Cu, OFE-Cu, CuFeO ₁ I , CuSnO, 15 in weichem Zustand. Dabei kann die strukturierte Oberfläche mit Hilfe eines ein- oder mehrstufigen Walz- oder Prägeprozesses aus einem Bandmaterial einstückig hergestellt werden. Durch den Umformprozess findet üblicherweise eine Verfestigung des Werkstoffs in den strukturierten Konturen statt. Insbesondere im Bereich der zwischen den einzelnen Erhebungen gebildeten Stege findet eine Materialverfestigung statt. Die erzielte Struktur kann anschließend zudem mit Hilfe eines Lasers oder durch Wärmebehandlung im Ofen erweicht werden, um die Stege der Kontur in einen möglichst weichen Zustand zu bringen, welche die Längenänderungen durch thermische Ausdehnung abfedern können. Als alternative Verfahren zur Strukturierung können auch Fräsen, Fließpressen oder ätzen geeignet sein.

Der Kühlkörper wird mit seiner strukturierten Oberfläche beispielsweise unter das Keramiksubstrat gelötet. So können die Stege bzw. Konturen die auftretenden Spannungen aufnehmen, ohne dass es zu Verformungen eines Moduls kommt.

Der besondere Vorteil besteht darin, dass der durch den Kühlkörper und dem Leistungselektronikmodul oder dem Halbleiterbauelement geschaffene Verbund den thermisch bedingten Spannungen im Rahmen elastischer Verformungen der einzelnen Materialien standhält. Dabei können auch Materialien verwendet werden, die ganz unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, ohne dass die thermisch bedingten Spannungen zum Abriss des Materialverbundes führen. Auch den aus höheren Löttemperaturen resultierenden Spannungs- zuständen kann der Materialverbund standhalten.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die strukturierte Oberfläche des Kühlkörpers pyramidenstumpfartige oder kegelstumpfartige Erhebungen aufweisen. Diese vergleichsweise einfache Struktur weist eine besonders kleine gemeinsame Berührungsfläche der Erhebungen mit dem Leistungselektronikmodul oder dem Halbleiterbauelement auf. Die sich zur Wärmeableitplatte hin verdickenden Erhebungen liefern einen Beitrag zur Wärmespreizung, also der flächenhaften Verteilung des Wärmeeintrags in den Kühlkörper.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die strukturierte Oberfläche pilzförmige Erhebungen aufweisen. Die Wärmeableitplatte wird dabei in x- und y-Richtung strukturiert, so dass T-förmige Pilzstrukturen oder auch pyramidenförmige Strukturen mit Stegen als Verbindung zur metallischen Wärmeableitplatte hin die Ausdehnung entsprechend abfedern. Die Konturoberflächen werden hierzu abschließend durch Walzen oder Prägen angestaucht. Insbesondere im mittleren Bereich der Erhebungen verschlankt sich die Struktur, wodurch sich dort elastisch ve.rformbare Bereiche ausbilden, die sich besonders vorteilhaft zum Abbau von Spannungen im Material eignen.

Vorteilhafterweise kann die strukturierte Oberfläche zapfenartige oder nadelartige Erhebungen aufweisen. Alternativ können auch rippenartige oder kreuzrippen- artige Erhebungen ausgebildet sein. Je nach Erfordernis können auch die einzelnen Strukturen miteinander in Kombination vorliegen. Beispielsweise bei einem lokalen Wärmeeintrag einer Wärmequelle vom Modul zum Kühlkörper

können lokal unterschiedliche Strukturen unmittelbar benachbart zum Einsatz kommen, die sich besonders vorteilhaft für eine Wärmeableitung oder Wärmespreizung eignen.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Strukturgröße der strukturierten Oberfläche prinzipiell unter einem Millimeter liegen, bevorzugt jedoch zwischen 0,5 bis 20 mm. Die Breite B, Länge L bzw. der Durchmesser D und Höhe H derartiger Mikrostrukturen können Abmessungen von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern aufweisen. Die Höhe H der Struktur kann variabel sein. Vorteilhafterweise kann das Verhältnis der Höhe H einer Erhebung zur lateralen Ausdehnung B, L, D einer Erhebung zumindest 1 :1 betragen. Mit geometrischen Verhältnissen unter diesem Quotienten besteht die Gefahr, dass Spannungen im Material nicht mehr elastisch ausgeglichen werden können und dadurch der Verbund reißen kann.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Zwischenraum zwischen den Erhebungen mit einer ausdehnungsniedrigen Eisen-Nickel- Legierung der Zusammensetzung auf der Basis von Fe: 64 % und Ni: 36 % ausgefüllt sein. Die metallische Wärmeableitplatte kann dabei aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Die Kombination aus Kupfer und der Eisen- Nickel-Legierung bietet den Vorteil, dass zwei Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung an der mikrostrukturierten Oberfläche vorhanden sind. Die Eisen-Nickel-Legierung hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von 1,7 bis 2,0x10 ⁶ 1/K, der ungefähr dem Wert der keramischen Chip-Carrier- Materialien entspricht. Durch das Ausfüllen des durch die Erhebungen gebildeten Zwischenraums kann eine einfache flächige Lötverbindung von Kühlkörper und beispielsweise einem Leistungselektronikmodul geschaffen werden.

Vorteilhafterweise kann die Wärmeableitplatte auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite matrixartig zusätzlich eine Vielzahl von strukturierten Erhebungen, beispielsweise in Form von Rippen oder Zapfen in der Größenordnung von 0,5 bis 20 mm, zur

Wärmeableitung aufweisen. Hierzu kann die Wärmeableitplatte beidseitig strukturiert sein, so dass zusätzlich der sonst notwendige berippte Kühlkörper und die Wärmeleitpaste für Luftkühlung entfallen können, wodurch der durch bisherige Lösungen mit Wärmeleitpaste verursachte thermische Widerstand eliminiert wird. Die strukturierten Erhebungen und die Wärmeableitplatte können demnach einstückig ausgebildet sein. Als Herstellungsverfahren kommen dieselben Prozesstechnologien wie Walzen, Fräsen, Fließpressen, Prägen oder weitere andere Verfahren zum Einsatz. Einteilige Strukturen bieten darüber hinaus einen Kostenvorteil gegenüber mehrteiligen Lösungen.

Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Luft dient, ist es wichtig, dass eine hohe Flächenvergrößerung damit erfolgt. übliche Geometrien sind Lamellen oder so genannte Pins, die eine Höhe von mehreren Zentimetern und einem Abstand größer als ein Millimeter haben können. Diese Lamellen oder Pins können auch mechanisch an der Wärmeableitplatte befestigt sein.

Alternativ kann auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der Wärmeableitplatte eine Kühleinheit mit geschlossenem Fluidkreislauf angeordnet sein. Dabei kann die Strukturierung der Wärmeableitplatte beidseitig sein, so dass die strukturierte Rückseite direkt als offene Strömungskanäle/-strukturen für den Flüssigkeitskühlkörper fungiert. Ein zusätzlicher Deckel aus Metall oder Kunststoff schließt dann den Wärmeübertrager ab.

Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Hilfe eines separaten Kühlmediums dient, meistens einem Glycol-Wasser Gemisch oder einem anderen in der Elektronikindustrie gebräuchlichen Kältemittel, sollten als Strukturen Kanäle, Kanalabschnitte oder auch Pins ausgebildet sein. Die Kühlung kann durch einen einphasigen Prozess, beispielsweise Flüssigkeitskühlung, oder einen zwei- phasigen Prozess, beispielsweise Verdampfung, gewährleistet werden. übliche Strukturhöhen liegen bei 0,5 mm bis 10 mm, wobei die geformten Kanälen Breiten von 20 μm bis 3 mm aufweisen können.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener

Unterseite, Fig. 2 eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener Unterseite, Fig. 3 eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener Unterseite, Fig. 4 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit auf der

Unterseite angeordneten Kühlelementen, und Fig. 5 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit auf der

Unterseite angeordneten Kühleinheit mit geschlossenem Fluidkreislauf.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 für in der Figur nicht dargestellte Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente.

Der Kühlkörper 1 besteht in seiner Grundform aus einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte 11 , deren Oberseite, also die einem Leistungselektronikmodul oder einem Halbleiterbauelement zugewandte Seite, eine matrixförmig strukturierte Oberfläche 12 in Form von hervortretenden Erhebungen 13 aufweist. Die Wärmeableitplatte 11 und die Erhebungen 13 der matrixförmig strukturierten Oberfläche 12 sind dabei aus einem Stück gefertigt. Die Unterseite der Wärmeableitplatte 11 , also die einem Leistungselektronikmodul oder einem Halbleiterbauelement abgewandten Seite, ist in diesem Fall eben. Die Erhebungen 13 sind als Pyramidenstümpfe ausgebildet. Der Zwischenraum 14 zwischen den Erhebungen 13 ist nicht ausgefüllt.

Die Breite B, Länge L und Höhe H derartiger Strukturen können Abmessungen von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern aufweisen. Das Verhältnis der Höhe H einer Erhebung 13 zur lateralen Ausdehnung B bzw. L einer Erhebung 13 ist in diesem Falle ungefähr 3:1. Tendenziell ist die Höhe H einer Erhebung 13 in der Regel größer als deren laterale Ausdehnung B bzw. L.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit ebener Unterseite. Die matrixförmig strukturierte Oberfläche 12 ist in Form von hervortretenden pyramidenstumpfartigen Erhebungen 13 ausgebildet. Die Wärmeableitplatte 11 und die Erhebungen 13 der matrixförmig strukturierten Oberfläche 12 sind dabei wiederum aus einem Stück gefertigt.

Die Erhebungen 13 sind als Pyramidenstümpfe ausgebildet, deren Fuß sich im übergangsbereich zur Wärmeableitplatte 11 hin durch Stege 15 verdickt. Diese Fußform dient zur weiteren Verbesserung der Kontaktfläche zwischen Substrat und Wärmeableitplatte 11. Wiederum ist der Zwischenraum 14 zwischen den Erhebungen 13 nicht mit Material ausgefüllt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit ebener Unterseite. Die Wärmeableitplatte 11 ist dabei in x- und y-Richtung so strukturiert, dass die Erhebungen 13 in Form von T-för- migen Pilzstrukturen in Verbindung mit pyramidenförmigen Strukturen mit Stegen 15 als Verbindung zur metallischen Wärmeableitplatte 11 hin der unterschiedlichen Ausdehnung entsprechend abpuffert. Insbesondere im Halsbereich, also im mittleren Bereich der Erhebungen verschlankt sich die Struktur, wodurch sich dort elastisch verformbare Bereiche ausbilden, die sich besonders vorteilhaft zur Aufnahme von Spannungen durch Temperaturbeanspruchung des Leistungselektronikmoduls eignen.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit auf der Unterseite angeordneten Kühlelementen 16. Dabei ist an der Unterseite der Wärmeableitplatte 11 eine Vielzahl von zusätzlichen rippenartigen Kühlele-

menten 16 zur Wärmeableitung angeordnet. Die Kühlelemente 16 sind an die Wärmeableitplatte 11 beispielsweise angelötet, mechanisch oder mit Wärmeleitpaste angebunden und daher in diesem Falle zweistückig.

Die Kühlelemente 16 und die Wärmeableitplatte 11 können jedoch auch einstückig ausgebildet sein. Hierzu ist dann die Wärmeableitplatte beidseitig strukturiert, so dass eine zusätzliche, mit Wärmeleitpaste befestigte Kühleinheit für Luftkühlung entfallen kann, wodurch der durch bisherige Lösungen mit Wärmeleitpaste verursachte thermische Widerstand eliminiert wird. Als Herstellungsverfahren kommen Prozesstechnologien wie Walzen, Fräsen, Fließpressen, Prägen oder weitere andere Verfahren zum Einsatz.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit einer auf der Unterseite angeordneten Kühleinheit 17 mit geschlossenem Fluidkreislauf. Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Hilfe eines separaten Kühlmediums dient, sind als Strukturen Kanäle ausgebildet, mit Strukturhöhen bei 0,5 mm bis 10 mm, wobei die geformten Kanälen Breiten von 20 μm bis 3 mm aufweisen.

Hierzu ist an der Unterseite der Wärmeableitplatte 11 matrixartig eine Vielzahl von zusätzlichen Kühlrippen 18 zur Wärmeableitung angeordnet, die in einem Stück mit Wärmeableitplatte 11 in Verbindung stehen. Ein zusätzlicher Deckel 18 aus Metall oder Kunststoff schließt dann den Wärmeübertrager ab.

In diesem Falle ist die Strukturierung der Wärmeableitplatte 11 beidseitig und die gesamte Struktur, bis auf den Deckel 19 der Kühleinheit 17 einstückig, so dass die strukturierte Rückseite direkt als offene Strömungskanäle/-strukturen für den Flüssigkeitskühlkörper fungiert. So ist der durch den Kühlkörper 1 und dem Leistungselektronikmodul oder dem Halbleiterbauelement gebildete Verbund so geschaffen, dass er den thermisch bedingten Spannungen im Rahmen elastischer Verformungen der einzelnen Materialien standhält.

Bezugszeichenliste

1 Kühlkörper

11 Wärmeableitplatte

12 strukturierte Oberfläche

13 Erhebungen

14 Zwischenraum

15 Stege

16 strukturierte Erhebungen, Kühlelemente

17 Kühleinheit

18 Kühlrippen

19 Deckel

H Höhe einer Erhebung

B Breite einer rechteckigen Erhebung

L Länge einer rechteckigen Erhebung

D Durchmesser einer runden Erhebung