Verbesserungen bei Leistungshalbleiterbauelementen auf Wärme rohren

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Leis tungshalbleiterbauelements auf ein Wärmerohr und ein durch das Verfahren erzeugtes Leistungsmodul. Die Erfindung be trifft außerdem einen Stromrichter mit einem derartigen Leis tungsmodul sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, mit einem Stromrichter. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Durch das erfin dungsgemäße Verfahren können Leistungshalbleiterbauelemente auch bei hohen Temperaturen auf ein Wärmerohr gelötet oder gesintert werden.

Hintergrund der Erfindung

Da die abzuführende Verlustleistung in Leistungsmodulen nur punktuell im Leistungshalbleiterbauelement (Chipfläche

~ 1 cm ² ) entsteht, spielt die laterale Wärmeleitung (die so genannte „Wärmespreizung") innerhalb des Leistungsmoduls eine entscheidende Rolle, um den thermischen Widerstand des Halb leiters bzw. des Moduls für eine Kühlung zu minimieren. Je größer die laterale Wärmeleitung bei gleichbleibender verti kaler Wärmeleitung ist, desto besser ist die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche.

Eine sehr effektive Art Wärme lateral zu transportieren, stellt der Einsatz von Wärmerohren (Heat Pipes, Vapor Cham bers/Oszillierende Heat Pipes) dar. Derartige Heat Pipes sind im Prinzip hohle Formkörper (z.B. Zylinder oder flachgedrück te Zylinder) , die mit einer definierten Menge eines Fluids befüllt und gasdicht verschlossen werden. Durch den Phasen übergang des Fluids werden deutlich höhere thermische Leitfä- higkeiten als bei klassischen Materialien bzw. elektrischen Leitern der Leistungselektronik erreicht.

Beim starken Erhitzen des gesamten Wärmerohrs oberhalb der Siedetemperatur des eingesetzten Fluids (z.B. in einem Löt prozess) verdampft das gesamte Fluid. Dies erhöht den Innen druck des Wärmerohrs, sodass es zu einer Verformung bzw. zur Explosion des Wärmerohrs kommen kann. Insbesondere bei fla chen Wärmerohren (z.B. Vapor Chambers) sind daher temperatur behaftete Fügeverfahren aufgrund der Geometrie nicht möglich.

Daher werden derartige Heatpipes normalerweise mittels Klebe oder durch Pressverbindungen an die Wärmequelle angebunden, wobei die Siedetemperatur des Fluids nicht überschritten wird. Die thermische sowie die elektrische Leitfähigkeit zwi schen einer Wärmequelle und einer Heatpipe ist somit nach dem Stand der Technik nicht optimal.

Die Anbindung von Leistungshalbleiterbauelementen an Heat pipes mittels konventionellen Fügeverfahren der Leistungs elektronik (z.B. Löten, Silbersintern), die eine hohe thermi sche Leitfähigkeit zwischen Halbleiter und Wärmerohr ermögli chen, ist daher wie oben erklärt nicht möglich.

Bei dem Fügeverfahren des druckbehafteten Silbersinterns kommt ein weiteres Problem hinzu. Neben der Fügetemperatur (> 200°C) ist ein mechanischer Druck auf die Fügeschicht not wendig. Dieser wird in der Regel über Druckstempel aufge bracht. Dies ist beim Fügen auf Heatpipes nicht möglich, da sich dadurch die Heatpipe verformt und zerstört wird.

Eine laterale Wärmeleitung von klassischen Leistungsmodulen wird hauptsächlich durch die Kupfer-Metallisierungen der ein gesetzten keramischen Isoliersubstrate erreicht. Diese besit zen eine maximale laterale Wärmeleitung kleiner 400 W/mK. Zu dem sind die verfügbaren Schichtdicken der Kupfermetallisie rungen derartiger Substrate kleiner als 1 mm, was ebenfalls die laterale Wärmeleitung begrenzt. Dies führt zum Einsatz großer Kühlkörper mit äußerst langen und schweren Kühlfinnen.

Die Anbindung von Leistungshalbleiterbauelementen an Heat pipes mittels konventionellen Fügeverfahren der Leistungs elektronik (z.B. Löten, Silbersintern), die eine hohe thermi sche Leitfähigkeit zwischen Halbleiter und Wärmerohr ermögli chen, ist bis heute nicht möglich.

Fügen ist in der Fertigungstechnik eine der Fertigungshaupt gruppen. Beim Fügen werden zwei oder mehr feste Körper mit geometrisch bestimmter Gestalt dauerhaft verbunden (gefügt) . Gelegentlich kommt dabei zusätzlich noch ein sogenannter "formloser Stoff" zum Einsatz, dessen Form nicht definiert ist. Dazu zählt beispielsweise Klebstoff. Zu den wichtigsten Fügetechniken zählt insbesondere das Schweißen, das Löten und das Kleben. Weitere wichtige Verfahren sind das Nieten,

Durchsetzfügen (Clinchen) und Schrauben.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die Wärmeleitfähigkeit zwischen Leistungshalbleiterbau elementen und einem Wärmerohr bei einem Leistungsmodul verbe- sert wird.

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 erster Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine stoffschlüssige elektrische Anbindung von Leistungshalblei terbauelementen auf Heatpipes durch das Fügen in einer Druck kammer realisiert wird. Beim Löten wirkt der eingestellt Kammerüberdrück dem Dampf druck bei erhöhter Fügetemperatur in der Heatpipe entgegen und verhindert dadurch eine Verformung bzw. ein Platzen der Heatpipe. Der Dampfdruck von Wasser liegt bei üblichen Löt temperaturen (200 °C - 220 °C) im Bereich von 20 bis 30 bar. Dies ist ein üblicher Druck, der zum Beispiel in Autoklaven erreicht werden kann. Ein Autoklav ist ein gasdicht ver schließbarer Druckbehälter, der für die thermische Behandlung von Stoffen im Überdruckbereich eingesetzt wird.

Beim Sintern (z.B. Ag-Sintern) kann der Überdruck in der Druckkammer auch direkt für das eigentliche Fügeverfahren ge nutzt werden, sofern dieses Verfahren einen mechanischen Druck auf die Fügestelle erfordert (z.B. beim Ag-Sintern) .

Die dazu erforderliche Druckdifferenz kann z.B. über gasdich te Folien bzw. Taschen erfolgen, in denen die zu fügenden Bauteil (= Fügepartner) fixiert sind und in dem ein konstan ter Druck gehalten werden kann.

Das Material der Tasche sollte semipermeabel sein, damit die organischen Lösungsmittel der Sinterpaste während des Sin- terns ausdampfen können. Zudem sollte es möglichst flexibel und rissfest sein, um sich den feinen Randstrukturen der Chi poberseite anzupassen, um einen gleichmäßigen Druck auf die Sinterschicht herzustellen. Des Weiteren kann der Kammerüber druck im gleichen Prozessschritt dazu genutzt werden, das Wärmerohr mittels eines Werkzeugs in eine bestimmte Form zu biegen oder Einprägungen herzustellen.

Zusammengefasst gibt die Erfindung einen Prozess zur stoff schlüssigen, elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindung eines Leistungshalbleiterbauelements auf einer Heatpipe. Ein großer Vorteil dabei ist, dass bereits verschlossene und da mit am Markt erhältliche Heatpipes verwendet werden können. Klassisches Löten einer unverschlossenen und nicht befüllten Heatpipe ist alternativ möglich. Allerdings bedingt dies ein nachträgliches Verschweißen/Kleben (kein Reinraumprozess!) der mit Halbleitern bestückten Heatpipe. Silbersintern wäre allerdings nicht möglich, da der mechanische Druck des Stem pels die Heatpipe zerstören würde.

Weitere Vorteile sind:

1. Ein Einsatz von hochtemperaturfesten Fügeverfahren zur An bindung von Wärmerohren ist möglich.

2. Ein signifikant verbesserter thermischer und elektrischer Übergangswiderstand der Verbindung zwischen Wärmequelle (= Leistungshalbleiterbauelement) und Heatpipe im Vergleich zu gepressten oder geklebten Verbindungen.

3. Die lateral wärmeleitfähige Schicht, direkt unterhalb der Wärmequelle verbessert den thermischen Widerstand.

4. Eine Einsparung von dicker Kupferschichten in den Iso liersubstraten führt zu einer Gewichtsreduktion des Leis tungsmoduls .

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zum Fügen eines Leis tungshalbleiterbauelements auf ein Wärmerohr, wobei während des Fügens der auf das Wärmerohr wirkende Außendruck propor tional zum sich durch die Wärmeeinwirkung beim Fügen verän dernde Innendruck des Wärmerohrs verändert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Außendruck zu Beginn des Fügens größer als der Innendruck.

In einer Weiterbildung ist das Fügen Löten oder Sintern, wo bei beim Sintern das Wärmerohr und das Leistungshalbleiter bauelement sich in einer Tasche befinden, die durch die Erhö hung des Außendrucks das Leistungshalbleiterbauelement auf das Wärmerohr presst.

In einer Weiterbildung können beim Sintern das Wärmerohr und das Leistungshalbleiterbauelement sich unter einer Kunst- stofffolie befinden, die durch die Erhöhung des Außendrucks das Leistungshalbleiterbauelement auf das Wärmerohr presst.

Die Erfindung beansprucht auch eine Vorrichtung zum Fügen ei nes Leistungshalbleiterbauelements auf ein Wärmerohr mit ei ner Druckkammer, in der das Verfahren nach dem erfindungsge mäßen Verfahren ausgeführt wird.

Des Weiteren beansprucht die Erfindung ein Leistungsmodul mit mindesten einem Leistungshalbleiterbauelement und mindestens einem Wärmerohr, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ge fügt sind.

Außerdem beansprucht die Erfindung einen Stromrichter, insbe sondere einen Umrichter, mit mehreren erfindungsgemäßen Leis tungsmodulen .

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.

Letztlich beansprucht die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.

Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Trans portmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.

In einer Weiterbildung kann das Fahrzeug ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, sein. In einer Weiterbildung weist das Flugzeug einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller auf

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Leistungsmoduls gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 eine Ansicht einer Druckkammer zum Löten,

Fig. 3 eine Ansicht einer Druckkammer zum Sintern mit einer Tasche,

Fig. 4 eine Ansicht einer Druckkammer zum Sintern mit einer Kunststofffolie,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einem Leistungsmodul und

Fig. 6 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig . 1 zeigt eine Seitenansicht von wesentlichen Teilen eines Leistungsmoduls 1 eines Stromrichters gemäß Stand der Tech nik. Mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 1.1 (sichtbar ist nur eines) sind mit Hilfe einer stoffschlüssigen Verbindung 3, wie beispielweise Klebstoff, mit einem Wärmerohr 2 gefügt. Das Wärmerohr 2 dient der wirksamen Wärmeabfuhr der Verlust- leistung der Leistungshalbleiterbauelemente 1.1. Das Wärme rohr 2 ist beispielsweise mit Wasser gefüllt.

Fig . 2 zeigt eine Ansicht einer Vorrichtung zum Löten von Leistungshalbleiterbauelementen 1.1 eines Leistungsmoduls 1 mit einem wassergefüllten Wärmerohr 2. Die Stoffschlüssige Verbindung 3 wird durch ein Lot hergestellt. Damit der Innen druck pl im Inneren des Wärmerohrs 2 beim Löten das Wärmerohr 2 nicht zum Platzen bringt, erfolgt der Lötvorgang in einer Druckkammer 4, die einen Außendruck p2 aufbaut. Dabei wird der Außendruck p2 derart automatisiert eingestellt, dass der Innendruck pl immer in etwa gleich dem Außendruck p2 ist.

Dies kann u.a. dadurch erfolgen, dass mittels einer Tempera turmessung am Wärmerohr 2 der Innendruck pl in dem Wärmerohr 2 abgeschätzt wird und beispielsweise gemäß einer hinterleg ten und gespeicherten Dampfdrucktabelle von Wasser entspre chend der Außendruck p2 erhöht wird.

Fig . 3 zeigt eine Ansicht einer Vorrichtung zum Sintern von Leistungshalbleiterbauelementen 1.1 eines Leistungsmoduls 1 auf ein wassergefülltes Wärmerohr 2. Die Stoffschlüssige Ver bindung 3 wird durch feinkörnige keramische oder metallische Stoffe hergestellt. Um den erforderlichen Druck zum Sintern auf die Leistungshalbleiterbauelemente 1.1 aufzubringen, wird das Leistungsmodul 1 in einer Tasche 5 angeordnet. Durch die Erhöhung des Außendrucks p2 erfolgt das Aufschmelzen der feinkörnigen keramischen oder metallischen Stoffe.

Damit der Innendruck pl im Inneren des Wärmerohrs 2 beim Lö ten das Wärmerohr 2 nicht zum Platzen bringt, erfolgt der Lötvorgang in einer Druckkammer 4, die einen Außendruck p2 aufbaut. Dabei wird der Außendruck p2 derart automatisiert eingestellt, dass der Innendruck pl immer in etwa gleich dem Außendruck p2 ist.

Dies kann u.a. dadurch erfolgen, dass mittels einer Tempera turmessung am Wärmerohr 2 der Innendruck pl in dem Wärmerohr 2 abgeschätzt wird und beispielsweise gemäß einer hinterleg ten und gespeicherten Dampfdrucktabelle von Wasser entspre chend der Außendruck p2 erhöht wird.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht einer alternativen Vorrichtung zu Fig. 3 zum Sintern von Leistungshalbleiterbauelementen 1.1 eines Leistungsmoduls 1 auf ein wassergefülltes Wärmerohr 2. Die Stoffschlüssige Verbindung 3 wird durch feinkörnige kera mische oder metallische Stoffe hergestellt. Um den erforder lichen Druck zum Sintern auf die Leistungshalbleiterbauele mente 1.1 aufzubringen, wird das Leistungsmodul 1 von einer Kunststofffolie 6 umschlossen. Durch die Erhöhung des Außen drucks p2 wird die Kunststofffolie 6 auf die Leistungshalb leiterbauelemente 1.1 gepresst und es erfolgt das Aufschmel zen der feinkörnigen keramischen oder metallischen Stoffe.

Damit der Innendruck pl im Inneren des Wärmerohrs 2 beim Lö ten das Wärmerohr 2 nicht zum Platzen bringt, erfolgt der Lötvorgang in einer Druckkammer 4, die einen Außendruck p2 aufbaut. Dabei wird der Außendruck p2 derart automatisiert eingestellt, dass der Innendruck pl immer in etwa gleich dem Außendruck p2 ist.

Dies kann u.a. dadurch erfolgen, dass mittels einer Tempera turmessung am Wärmerohr 2 der Innendruck pl in dem Wärmerohr 2 abgeschätzt wird und beispielsweise gemäß einer hinterleg ten und gespeicherten Dampfdrucktabelle von Wasser entspre chend der Außendruck p2 erhöht wird.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 7.3, insbesondere eines Umrichters, mit einem erfindungsgemäß ge fügtem Leistungsmodul 1 gemäß den Darstellungen der Fig. 2 bis Fig. 4.

Fig. 6 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 7, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter 7.3 gemäß Fig. 5, der einen Elektromotor 7.1 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 7.1 treibt einen Propeller 7.2 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungs einheit .

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 Leistungsmodul

1.1 Leistungshalbleiterbauelement

2 Wärmerohr

3 Stoffschlüssige Verbindung

4 Druckkammer

5 Tasche

6 Kunststofffolie

7 Flugzeug

7.1 Elektromotor

7.2 Propeller

7.3 Stromrichter

pl Innendruck

p2 Außendruck