Titel

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES KÜHLKÖRPERS DURCH HARTLÖTEN, SOWIE ANORDNUNG, UMFASSEND EINEN KÜHLKÖRPER

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für ein Leistungselektronik-Bauelement sowie eine Anordnung umfassend einen derart hergestellten Kühlkörper.

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 nur über sehr kleine Flächen abgeführt werden kann. Hierbei können Wärmestromdichten bis zu 1000 W/cm ² 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 dgl. , ohne Beschädigung im Betrieb überstehen zu können. Daher sind derartige Flüssigkühler häufig als Druckgussbauteile ausgestaltet, wobei diese neben einem hohen Gewicht auch einen relativ großen Herstellungsaufwand aufweisen. Eine Alternative sind aus mehreren Bauteilen hergestellte Aluminiumkühler, wobei für das Fügen des Aluminiums jedoch eine sehr hohe Temperatur in einem Hartlötprozess erforderlich ist, welche das Aluminiummaterial negativ, beispielsweise hinsichtlich eines Verzuges beeinflusst. Ein Problemkreis bei Aluminium als Material für den Kühlkörper ist zudem dadurch gegeben, dass zum Fügen von Leistungselektronik- Bauelementen eine weichlötbare Oberfläche notwendig ist. Häufig wird hier eine Kupferbeschichtung verwendet. Kupfer kann jedoch in einem klassischen Hartlötprozess nicht mit Aluminium verbunden werden, da sich bereits ab 548°C eine niederschmelzende Aluminium-Kupfer-Phase bildet, welche zum Aufschmelzen beider Fügepartner führen kann. Insofern steht hier ein großer Bedarf an einer verbesserten Herstellung derartiger Kühlkörper.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für Leistungselektronik-Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass wenigstens zwei Bauteile des Kühlkörpers mittels einer Hartlotverbindung mit einem niederschmelzenden Hartlot im Temperaturbereich zwischen 520° bis 540° verbunden sind. Dadurch kann ein Hartlötverfahren angewandt werden, welches unterhalb der kritischen Temperatur von 548°C bleibt, bei welchem ein Aufschmelzen der Fügepartner Aluminium und Kupfer auftreten kann. Somit kann verhindert werden, dass sich eine niederschmelzende Aluminium-Kupfer-Phase bildet, an welcher später ein Leistungselektronik-Bauelement nicht mehr durch einen Weichlötvorgang, welcher deutlich niedrigere Temperaturen unterhalb von 420°C verwendet, fixiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Kühlkörper wenigstens zwei Bauteile aufweist, ausgewählt aus: einem Aluminium-Unterteil, einem Aluminium-Oberteil, einem Einleger aus Aluminium und einer Kupferplatte. Dabei sind wenigstens zwei der o.g. Bauteile mittels eines Hartlötverfahrens mit einem niederschmelzenden Hartlot verbunden, wobei die Lötverbindung in einem Temperaturbereich zwischen 520°C bis 540°C hergestellt wird. Dadurch kann sicher ein Aufschmelzen zu der oben erläuterten Aluminium-Kupfer-Phase verhindert werden. Somit weist der Kühlkörper insbesondere eine niederschmelzende Hartlotverbindung zwischen dem Aluminium-Unterteil und dem Aluminium-Oberteil, oder dem Aluminium-Unterteil und dem Aluminium- Einlegeteil, oder dem Aluminium-Oberteil und dem Aluminium-Einlegeteil, oder dem Aluminium-Unterteil und der Kupferplatte, oder dem Aluminium-Oberteil und der Kupferplatte, auf.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise wird das Hartlötverfahren mit dem niederschmelzenden Hartlot bei einer Temperatur von 530°C ausgeführt. Dadurch ist ein ausreichender Abstand zu der Temperaturgrenze von 548°C vorhanden. Das niederschmelzende Hartlot umfasst vorzugsweise Aluminium und Silber und Kupfer und Silizium. Vorzugsweise umfasst das niederschmelzende Hartlot Silizium in einem Bereich von 1 bis 2 Masse-%. Alternativ umfasst das niederschmelzende Hartlot ausschließlich Aluminium, Silber und Kupfer in einem Verhältnis von 40 Masse-% Aluminium, 40 Masse-% Silber und 20 Masse-% Kupfer.

Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt, dass das Aluminium-Unterteil, das Aluminium-Oberteil und der Aluminium- Einleger durch ein Hartlot bei einer Temperatur von > 590°C verbunden wird und anschließend die Kupferplatte mit dem Aluminium-Unterteil oder dem Aluminium- Oberteil mittels des niederschmelzenden Hartlots bei einer Löttemperatur von 520°C bis 540°C verbunden. Somit ist die niederschmelzende Hartlotverbindung an der Kupferplatte ausgebildet. Dadurch weist vorzugsweise der Kühlkörper eine niederschmelzende Hartlotverbindung zur Fixierung der Kupferplatte auf und die anderen Bauteile des Kühlkörpers sind mit einem üblichen Hartlötprozess bei Temperaturen > 590°C ausgeführt. Vorzugsweise wird anschließend ein Leistungselektronik-Bauelement an der Kupferplatte mittels eines Weichlötverfahrens (Temperatur < 420°C) befestigt.

Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgeführt, dass das Aluminium-Unterteil, das Aluminium-Oberteil und der Aluminium-Einleger mittels des niederschmelzenden Hartlots verbunden werden, wobei auf dem Aluminium- Unterteil oder dem Aluminium-Oberteil eine Kupferbeschichtung aufgebracht ist und das Leistungselektronik-Bauelement dann ausschließlich an der Kupferbeschichtung mittels eines Weichlötverfahrens befestigt wird. Somit können alle Bauteile des Kühlkörpers mittels des niederschmelzenden Hartlots miteinander verbunden werden, wobei dann das Leistungselektronik-Bauelement mittels eines Weichlötverfahrens befestigt wird. Alternativ kann statt der Kupferbeschichtung das Aluminium-Unterteil und/oder das Aluminium-Oberteil als kupfer-walzplattiertes Aluminiumblech ausgebildet sein.

Es sei ferner angemerkt, dass selbstverständlich es auch möglich ist, dass der Kühlkörper ein Aluminium-Unterteil, ein Aluminium-Oberteil, ein Aluminium- Einleger und eine Kupferplatte aufweist, wobei alle Bauteile miteinander mittels des niederschmelzenden Hartlots durch einen Hartlötvorgang miteinander verbunden werden. Zur Befestigung des Leistungselektronik-Bauelements ist vorzugsweise ein Weichlot in gedruckter Form am Leistungselektronik-Bauelement angeordnet oder alternativ ist eine Weichlötfolie am Leistungselektronik-Bauelement angeordnet, um den Weichlötvorgang auszuführen.

Weiter bevorzugt ist eine Dicke der Kupferplatte kleiner als eine Dicke des Aluminium-Unterteils oder des Aluminium-Oberteils. Die Kupferplatte weist vorzugsweise eine Dicke von ca. 1 ,5 mm auf und das Aluminium-Unterteil oder das Aluminium-Oberteil weist vorzugsweise eine Dicke von 2,5 mm auf.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung umfassend ein Leistungselektronik-Bauteil und einen Kühlkörper zur Flüssigkühlung aus Aluminium, welcher ein Aluminium-Unterteil, ein Aluminium- Oberteil, einen Aluminium-Einleger und eine Kupferplatte umfasst, wobei wenigstens eine Verbindung zwischen den Bauteilen des Kühlkörpers durch eine Hartlotverbindung mit einem niedrigschmelzenden Lot mit einer Löttemperatur von ca. 530°C ist oder wobei der Kühlkörper ein Aluminium-Unterteil, ein Aluminium-Oberteil, einen Aluminium-Einleger und eine Kupferbeschichtung auf dem Aluminium-Unterteil und/oder auf dem Aluminium-Oberteil aufweist und eine Bauteilverbindung zwischen den Bauteilen des Kühlkörpers mittels eines niedrigschmelzenden Hartlots mit einer Löttemperatur von ca. 530°C oder einem Schmelzbereich zwischen 490 bis 506°C ausgebildet ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung.

Zeichnung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Leistungselektronik-

Anordnung mit einem Kühlkörper, welcher gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde, Figur 2 eine schematische Ansicht einer Leistungselektronik-

Anordnung mit einem Kühlkörper, welcher gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde, und

Figur 3 eine schematische Ansicht einer Leistungselektronik-

Anordnung mit einem Kühlkörper, welcher gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 eine Leistungselektronik- Anordnung 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Leistungselektronik-Anordnung 1 ein Leistungselektronik-Bauelement 2 mit einem Kühlkörper 3. Der Kühlkörper 3 umfasst ein Aluminium-Unterteil 30, ein Aluminium-Oberteil 31 und ein Aluminium-Einlegeteil 32. Das Aluminium-Einlegeteil 32 ist beispielsweise ein Strip-Fin-Einlegeteil.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist der Kühlkörper 3 unmittelbar unterhalb des Leistungselektronik-Bauelements 2 angeordnet. Der Kühlkörper 3 ist eingerichtet, um mit einer Kühlflüssigkeit für eine verbesserte Kühlwirkung durchströmt zu werden. Hierzu ist am Kühlkörper 3 ein Einlass und ein Auslass (beide nicht gezeigt) zum Zuführen und Abführen der Kühlflüssigkeit vorgesehen. Es sei angemerkt, dass das Aluminium-Einlegeteil auch beispielsweise ein Einlegeteil zur mäanderförmigen Flüssigkeitsführung sein kann.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist an einer Außenfläche des Aluminium- Oberteils 31 eine Kupferbeschichtung 6 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, dass das Leistungselektronik-Bauelement 2 mittels einer Weichlotverbindung 8 mit dem Aluminium-Oberteil 31 verbindbar ist. Weiterhin ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, zwischen dem Aluminium-Unterteil 30 und dem Aluminium-Einlegeteil 32 eine niederschmelzende Hartlotverbindung 4 ausgebildet. Eine derartige niederschmelzende Hartlotverbindung 4 ist ferner ebenfalls zwischen dem Aluminium-Unterteil 30 und dem Aluminium-Oberteil 31 ausgebildet.

Somit sind bei diesem Ausführungsbeispiel die ansonsten mittels Hartlotverbindungen mit Temperaturen > 590°C vorgesehenen Lötverbindungen des Kühlkörpers 3 durch niederschmelzende Hartlotverbindungen 4 ersetzt, welche bei Temperaturen von ca. 530°C ausgeführt werden. Hierbei ist das niederschmelzende Hartlot eine Legierung, umfassend Aluminium, Silber, Kupfer und Silizium.

Die Kupferbeschichtung 6 kann beispielsweise mittels eines Kaltgasverfahrens auf die Oberfläche des Aluminium-Oberteils 31 aufgebracht werden. Eine Dicke der Kupferbeschichtung 6 ist vorzugsweise ca. 100 pm.

Somit kann ein Kühlkörper 3 aus Aluminium bereitgestellt werden, welcher bei Temperaturen deutlich unterhalb der kritischen Temperatur von 548°C hartgelötet werden kann und trotzdem eine Kupferbeschichtung auf einem Aluminium-Bauteil aufweisen kann, welche trotz des Hartlötvorgangs keine unerwünschte Aluminium-Kupfer-Phase bildet. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass ein Aluminium-Bauteil verwendet werden kann, welches schon vor einem Lötverbindungsvorgang die Kupferbeschichtung 6 aufweist. Dies hat ferner insbesondere fertigungstechnische Vorteile. Es sei angemerkt, dass alternativ statt der Kupferbeschichtung auch ein mit Kupfer walzplattiertes Aluminiumblech verwendet werden kann, welches ebenfalls schon vor dem Lötverbindungsvorgang hergestellt werden kann. Weiterhin kann durch die Kupferbeschichtung 6 auch eine hervorragende thermische Anbindung des Leistungselektronik-Bauelements 2 an den Kühlkörper 3 ermöglicht werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 2 eine Leistungselektronik- Anordnung 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Figur 2 entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel statt der Kupferbeschichtung 6 eine Kupferplatte 7 vorgesehen ist. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist die Kupferplatte 7 mittels einer niederschmelzenden Hartlotverbindung 4 mit dem Aluminium-Oberteil 31 verbunden. Das Leistungselektronik-Bauelement 2 ist dann mittels einer Weichlotverbindung 8 mit der Kupferplatte 7 verbunden.

Somit sind beim zweiten Ausführungsbeispiel alle Bauteile des Kühlkörpers 3, nämlich das Aluminium-Unterteil 30, das Aluminium-Oberteil 31 , das Aluminium- Einlegeteil 32 und die Kupferplatte 7 mittels niederschmelzenden Hartlotverbindungen 4 miteinander verbunden. Dadurch ist eine thermische Belastung des Kühlkörpers 3 bei seiner Herstellung deutlich reduziert, dass der Kühlkörper 3 keinen herstellungsbedingten thermischen Verzug aufweist. Dadurch kann eine Genauigkeit des Kühlkörpers 3 im Vergleich mit dem Stand der Technik signifikant verbessert werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 3 eine Leistungselektronik- Anordnung 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, weist das dritte Ausführungsbeispiel ähnlich wie das zweite Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Kupferplatte 7 auf. Allerdings ist beim dritten Ausführungsbeispiel zwischen dem Aluminium-Unterteil 30, dem Aluminium-Einlegeteil 32 und dem Aluminium-Oberteil 31 jeweils eine normale Hartlotverbindung 5 vorgesehen, die bei Temperaturen > 590°C hergestellt wird. Die Kupferplatte 7 ist hingegen mittels einer niederschmelzenden Hartlotverbindung 4 mit dem Aluminium-Oberteil 31 bei einer Löttemperatur von ca. 530°C verbunden. Somit kann der Kühlkörper 3 ohne die Kupferplatte 7 mittels der herkömmlichen Hartlotverbindungen 5 verbunden werden. Nachdem diese Vorbaugruppe des Kühlkörpers 3 hergestellt ist, kann dann die Kupferplatte 7 mittels eines niederschmelzenden Hartlotes bei Temperaturen von ca. 530°C auf das Aluminium-Oberteil 31 aufgebracht werden. Anschließend kann dann, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, das Leistungselektronik-Bauelement 2 auf die Kupferplatte 7 mittels einer Weichlotverbindung 8 fixiert werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Somit ermöglicht die Erfindung durch Verwendung eines niederschmelzenden Hartlotes, welches insbesondere einen Schmelzbereich zwischen 490 bis 506°C aufweist, eine deutliche Verbesserung bei der Herstellung des Kühlkörpers 3, wie in den drei Ausführungsbeispielen dargelegt. Dabei kann einerseits nur eine einzige niederschmelzende Hartlotverbindung 4 zwischen zwei Bauteilen des Kühlkörpers 3 vorgesehen werden, oder alternativ werden mehr als zwei oder alle Bauteile des Kühlkörpers 3 durch eine niederschmelzende Hartlotverbindung 4 miteinander verbunden. Den beiden Herstellungsverfahren ist dabei gemeinsam, dass keine unerwünschte Aluminium-Kupfer-Phase auftritt, da es für den Weichlotvorgang zur Fixierung des Leistungselektronik-Bauelements 2 auf dem Aluminium-Kühlkörper 3 notwendig ist, Kupfer aufzubringen, da das Leistungselektronik-Bauelement 2 nicht direkt auf Aluminium mittels eines Weichlötvorgangs fixiert werden kann.

Somit kann der Kühlkörper 3, wie in den drei Ausführungsbeispielen dargestellt, einen Aufbau aus Aluminium und Kupfer aufweisen, wodurch eine deutlich bessere thermische Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers 3 erreicht wird. Insbesondere ermöglicht die Erfindung auch eine Variation der notwendigen Kupferfläche hinsichtlich ihrer Länge, Breite und Höhe. Hierbei muss auch nicht der Fertigungsprozess umgestellt werden. Falls notwendig, kann erfindungsgemäß trotzdem ein Kühlkörper in seiner Grundform durch einen Aluminium-Aluminium-Hartlötvorgang bei Temperaturen von über 590°C ausgeführt werden und anschließend die Kupferplatte 7 mittels der niederschmelzenden Hartlotverbindung 4 am Kühlkörper bei einer Temperatur von ca. 530°C befestigt werden.