Verfahren zur Herstellung einer Leistungsmoduleinheit, Leis tungsmoduleinheit, Netzteil und Frequenzumrichter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungsmoduleinheit sowie eine Leistungsmoduleinheit. Dar über hinaus betrifft die Erfindung ein Netzteil und einen Frequenzumrichter .

Leistungsmodule umfassen in der Regel ein Substrat mit einem Leistungshalbleiter, beispielsweise einem IGBT (Insulated- Gate Bipolar Transistor) , welcher auf einem Substrat fest verbunden ist. Das Substrat weist auf beiden Seiten eine Me tallstruktur auf, wobei die Metallstruktur auf der einen Sei te zur Verbindung mit dem Leistungshalbleiter ausgebildet ist und auf der anderen Seite auf einer Grundplatte befestigbar ist .

Die Grundplatte wird gemäß derzeitigem Stand der Technik vor zugsweise mit einer wärmeleitenden Struktur beaufschlagt und auf einem Kühlkörper befestigt. Um thermische Effekte auszu gleichen, ist eine komplexe Vorbiegung der Grundplatte not wendig, so dass die Grundplatte auch bei einer Temperatur von mehr als 100 Grad Celsius fest mit dem Kühlkörper verbunden ist .

Die Einheit, umfassend ein Leistungsmodul und ein Kühlkörper, wird hier als Leistungsmoduleinheit bezeichnet

Nachteilig am Stand der Technik ist weiter die Vielzahl von Materialübergängen. Ein Wärmestrom, ausgehend von dem Leis tungshalbleiter über die Grundplatte zum Kühlkörper übertra gen, wird hierdurch vermindert.

Zur Verbesserung der Wärmeübertragung von dem Leistungshalb leiter zum Kühlkörper schlägt beispielsweise DE 10 2013 207 804 Al vor, eine Grundplatte auf der einen Seite mit wärme- leitenden Strukturen einstückig auszubilden. Der Leistungs halbleiter wird auf der gegenüberliegenden Seite der Grund platte befestigt.

Die Größe der wärmeleitenden Strukturen ist allerdings durch die Herstellung begrenzt. Darüber hinaus ist die Herstellung einer solchen Leistungsmoduleinheit aufwendig und daher kost spielig .

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zur Her stellung einer Leistungsmoduleinheit zu vereinfachen.

Die Aufgabe wird durch eine Leistungsmoduleinheit gemäß An spruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch einen Frequen zumrichter oder ein Netzteil gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen stand der abhängigen Ansprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein direk tes Aufbringen des Substrates mit dem Leistungshalbleiter auf die Grundplatte eine Materialgrenze zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ersetzt. Vorzugsweise wird das Substrat mit einer Löt-Verbindung auf der Grundplatte des Kühlkörpers befestigt. Die Grundplatte dient somit auf der ersten Seite als Träger des Substrates. Weiter dient die zweite Seite der Grundplatte zur Befestigung der Kühlrippen.

Bei herkömmlichen Kühlkörpern mit Kühlrippen, welche einige Zentimeter lang sein können, führt dieses Verfahren zu

Schwierigkeiten, da der gesamte Kühlkörper beispielsweise in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 200 bis etwa 500 Grad Celsius erwärmt werden muss. Eine Erwärmung des gesamten Kühlkörpers ist jedoch energie- und zeitaufwendig. Demnach gründet die Erfindung auf der Einsicht, dass es vorteilhaft ist, lediglich die Grundplatte mit dem Substrat in dem Ofen zu erwärmen und die Kühlrippen nach der Befestigung des Sub strates in Aussparungen der Grundplatte zu befestigen. Die Befestigung der Kühlrippen erfolgt vorzugsweise derart, dass die Grundplatte mit dem Substrat nicht verbogen wird. Eine Biegung der Grundplatte könnte das Substrat beschädigen.

Dies wird beispielhaft durch einen trapezförmigen Querschnitt der Aussparung erreicht. Darüber hinaus können die Kühlrippen vorteilhaft in tangentialer Richtung zur ersten Seite in die jeweilige Aussparung aus eingebracht werden.

Vorzugsweise umfasst das Substrat eine Keramik-Schicht, wobei die Keramik-Schicht auf der Oberseite und der Unterseite je weils, zumindest bereichsweise eine Metall-Schicht aufweist. Die Metall-Schicht umfasst vorzugsweise Kupfer, Silber oder Zinn. Die vorzugsweise bereichsweise aufgetragene Metall- Schicht auf der Oberseite des Substrates dient zur Befesti gung des Leistungshalbleiters. Die vorzugsweise auf der Un terseite aufgetragene Metallschicht dient zur Löt-, Press oder Sinterverbindung des Substrates mit der Grundplatte.

Die Leistungsmoduleinheit weist eine Grundplatte mit zumin dest einer Aussparung auf einer ersten Seite auf, wobei in der jeweiligen Aussparung zumindest eine Kühlrippe befestigt ist, wobei die jeweilige Kühlrippe in jeweils eine Aussparung der Grundplatte durch eine zumindest bereichsweise form schlüssig, bereichsweise Stoffschlüssig und/oder bereichswei se kraftschlüssig ausgeführte Verbindung befestigt ist, wobei die Grundplatte auf einer zweiten Seite ein Substrat für ein Leistungshalbleiter aufweist.

Die Leistungsmoduleinheit umfasst optional noch ein Gehäuse, welches das Substrat vor Umgebungseinflüssen schützt. Das Substrat dient als Grundlage für Leistungshalbleiter wie ein IGBT oder ein Thyristor. Es können auch mehrere Leistungs halbleiter auf dem Substrat befestigt sein. Die Aussparung verläuft vorzugsweise entlang der ersten Seite von einem Ende der Grundplatte bis zum anderen Ende der Grundplatte .

Die Aussparung dient vorteilhaft zur Aufnahme von einer oder mehreren Kühlrippen. Die jeweilige Kühlrippe wird vorzugswei se in die Aussparung der Grundplatte dann eingeführt, wenn das Substrat auf der zweiten Seite bereits auf der Grundplat te befestigt ist.

Vorzugsweise umfasst die Leistungsmoduleinheit zusätzlich ein Gehäuse, wobei das Gehäuse die zweite Seite zumindest be reichsweise abdeckt. Das Gehäuse dient zur Abdeckung und so mit zum Schutz des Substrates oder des zumindest einen Leis tungshalbleiters .

Unter einer Stoffschlüssigen Verbindung wird beispielhaft ei ne Löt-Verbindung, eine Klebeverbindung oder eine Schweißver bindung verstanden.

Die Verbindung der Kühlrippe mit der Grundplatte ist vorzugs weise zumindest bereichsweise formschlüssig ausgeführt. Die formschlüssige Verbindung stellt eine gute thermische Verbin dung zwischen der Grundplatte und der jeweiligen Kühlrippe her. Die formschlüssige Verbindung dient demnach zur verbes serten Abführung von Abwärme der Leistungshalbleiter über die Grundplatte auf die Kühlrippen.

Vorzugsweise werden die Kühlrippen durch eine kraftschlüssige Verbindung derart mit der Grundplatte befestigt, dass die Kühlrippen in eine erhitzte Grundplatte eingesetzt werden und mit Abkühlen der Grundplatte eine kraftschlüssige Verbindung eingehen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Kühlrip pen beim Einbringen gekühlt sein und durch ein Erwärmen auf Raumtemperatur eine kraftschlüssige Verbindung ausbilden.

Die Erfindung offenbart folgende Vorteile: - Durch eine direkte Verbindung des Substrates mit der Grund platte und lediglich einem weiteren thermischen Widerstand zu den Kühlrippen kann die Wärme von dem Substrat besonders ef fizient über die Kühlrippen abgeführt werden.

- Durch die variable Verbindung der Grundplatte mit den Kühl rippen, können Parameter der jeweiligen Kühlrippe wie Länge, Form, Oberflächenbeschaffenheit; gezielt an die Anwendung der Leistungsmoduleinheit angepasst werden.

- Dadurch, dass das Substrat lediglich auf der Grundplatte befestigt ist, kann es mit Hilfe eines Ofens schnell und energiesparend hergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die jeweilige Kühlrippe durch eine Pressverbindung, eine Klebe verbindung oder eine Löt-Verbindung mit der Grundplatte ver bunden .

Alternativ oder zusätzlich kann die jeweilige Kühlrippe mit einer Löt-Verbindung oder einer Klebeverbindung in der Aus sparung der Grundplatte befestigt werden.

Durch eine feste Verbindung der jeweiligen Kühlrippe mit der Grundplatte ist die Leistungsmoduleinheit stabil gegen äußere Einflüsse ausgebildet. Zudem ist durch eine feste Verbindung der jeweiligen Kühlrippe mit der Grundplatte eine gute und sichere Wärmeübertragung von dem Leistungshalbleiter auf die Kühlrippen gewährleistet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Grundplatte Kupfer, Aluminium oder eine Schicht aus Kupfer und eine Schicht aus Aluminium auf.

Vorzugsweise dient Kupfer als Material zur Aufnahme des Sub strates, weil es sich gut zum Aufbau einer Löt-Verbindung eignet und ein guter Wärmeleiter ist. Vorzugsweise dient Aluminium als Material für die Grundplat te, weil Aluminium einerseits ein guter Wärmeleiter ist und darüber hinaus durch seine gute Verformbarkeit für eine form schlüssige Verbindung der Grundplatte mit den Kühlrippen ge eignet ist.

Besonders vorteilhaft ist die Grundplatte aus zwei aufeinan der fest verbundenen Metallschichten ausgebildet. Eine solche Grundplatte weist angrenzend an die erste Seite eine Alumini umschicht auf, die auf ihrer Oberseite eine Kupferschicht aufweist. Beide Metallschichten sind beispielhaft durch ein Walzverfahren fest miteinander verbunden. Alternativ können die Schichten auch durch ein Löt-Verfahren, insbesondere mit einem Hochtemperatur-Löt-Verfahren, miteinander verbunden sein .

Eine solche Schicht weist die oben genannten Vorteile auf und ist im Handel erhältlich.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die jeweilige Kühlrippe an zumindest einer Seite einen Aufsatz auf, wobei der Aufsatz nach Einbringen der Kühlrippe die erste Seite der Grundplatte berührt.

Der Aufsatz dient dazu, das Eindringen der Kühlrippe in die Aussparung derart zu begrenzen, dass eine Bodenseite der Aus sparung die Kühlrippe lediglich berührt.

Alternativ oder zusätzlich kann der Aufsatz bereichsweise in die Aussparung hineinragen. Beispielhaft weist die Aussparung an ihren Kanten mit der ersten Seite schräg ausgerichtete Seitenflächen auf. Die Seitenflächen dienen zur Aufnahme der ebenfalls schräg ausgeführten Seitenfläche des Aufsatzes.

Durch den Aufsatz kann eine Belastung der Grundplatte beim Einbringen der jeweiligen Kühlrippe in die Aussparung vermin dert werden. Insbesondere die Biegespannung, welche eine Kraft senkrecht zur ersten Seite der Grundplatte induziert, kann wirksam reduziert werden. Mit der Reduktion der Kraft und damit der Biegespannung auf die Grundplatte wird die Ver bindung des Substrates mit der Grundplatte einer verminderten Belastung beim Einbringen der Kühlrippen in die Aussparung bewirkt .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die jeweilige Kühlrippe Kupfer, Aluminium oder einer Legierung auf.

Die Kühlrippe ist vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitung, insbesondere Aluminium, einer Aluminiumlegie rung, Kupfer oder einer Kupferlegierung, ausgebildet.

Durch ein Material mit guter Wärmeleitung kann die Wärme ef fizient von der Grundplatte abgeführt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Befestigung der Grundplatte mit der jeweiligen Kühl rippe durch Einkerbungen und Aufprägungen verstärkt.

Vorzugsweise weist zumindest ein Teil der Aussparungen der Grundplatte und/oder die Kühlrippen Einkerbungen und/oder Aufprägungen auf. Die Aussparungen können beim Einbringen der Kühlrippe in die jeweilige Aussparung Einkerbungen in die Kühlrippe einprägen. Durch die Einkerbungen wird zumindest bereichsweise eine formschlüssige Verbindung ausgebildet.

Vorzugsweise ragen Aufprägungen der Kühlrippe in Einkerbungen der jeweiligen Aussparung hinein. So ist eine besonders feste Verbindung möglich.

Die Ausprägungen in der jeweiligen Aussparung dienen demnach zur verbesserten Verbindung der Kühlrippen mit der Grundplat te . Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Härte des Materials für die Grundplatte und die Härte des Materials für die jeweilige Kühlrippe unterschiedlich.

Vorzugsweise weist die Grundplatte ein Material mit einer größeren Härte als das Material der Kühlrippen auf. So wird das Material der Kühlrippe leicht verformt und eine zumindest bereichsweise formschlüssige Verbindung zwischen der Grund platte und der Kühlrippe ausgebildet.

Bei der vorstehend ausgeführten Alternative wird vorteilhaft beim Einbringen der Kühlrippe in die jeweilige Aussparung die Kühlrippe und/oder die Innenseite der Aussparung in der

Grundplatte leicht verformt. Insbesondere tragen Aufprägungen zu einer Verformung der Kühlrippe und/oder zur Verformung der Grundplatte bei.

Alternativ kann auch das Material der Kühlrippe härter als das Material der Grundpatte ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung führt vorzugsweise zu einer vereinfachten Her stellung der Leistungsmoduleinheit.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die jeweilige Kühlrippe U-förmig, O-förmig oder 8-förmig ausgebildet .

Vorzugsweise weist die Kühlrippe eine Öffnung auf. Die Öff nung dient vorzugsweise zur Durchführung eines Kühlmediums wie ein Luftstrom. Vorzugsweise ist die Öffnung so ausgebil det, dass ein Querschnitt der Kühlrippe innen hohl ist. Vor zugsweise ist der Querschnitt der jeweiligen Kühlrippe dem nach O-förmig ausgebildet.

Vorzugsweise ist die Kühlrippe in der Mitte mit einer Ver stärkung, insbesondere einem Materialübergang ausgebildet.

Dieser Materialübergang führt zu einem 8-förmigen Querschnitt der Kühlrippe. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Querschnitt der jeweiligen Aussparung zur zweiten Seite hin verjüngt, vorzugsweise Trapez-förmig ausgebildet.

Um beim Einbringen der jeweiligen Kühlrippe nur eine minimale Biegespannung auf die Grundplatte zu übertragen, ist die Aus sparung nach innen hin verjüngt ausgebildet. Vorzugsweise ist die Aussparung trapezförmig ausgebildet. Gegebenenfalls sind an den Seiten der Innenfläche der jeweiligen Aussparungen Aufprägungen positioniert. Die Aufprägungen dienen vorzugs weise zur Fixierung der Kühlrippe in der Aussparung.

Durch die nach innen verjüngte Aussparung wird vorteilhaft das Substrat der Leistungsmoduleinheit beim Einbringen der jeweiligen Kühlrippe geschont.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind weitere Kühlrippen zwischen den Kühlrippen positioniert, wobei die jeweilige weitere Kühlrippe und die Kühlrippe nur bereichsweise seitlich überlappen.

Die weiteren Kühlrippen sind vorzugsweise kraftschlüssig mit den Kühlrippen verbunden. Die weiteren Kühlrippen und die Kühlrippen überlappen vorzugsweise jeweils mit einer Breite von 1 Zentimeter bis 2 Zentimeter.

Vorzugsweise sind die Seiten der Kühlrippen zumindest in dem Bereich, in dem die Kühlrippen und die weiteren Kühlrippen jeweils überlappen, mit einer gerippten Struktur ausgebildet. Unter einer gerippten Struktur wird insbesondere verstanden, dass die Seite der jeweiligen Kühlrippe und/oder die Seite der jeweiligen weiteren Kühlrippe Aufprägungen aufweist. Die Aufprägung kann einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Vor zugsweise sind die Aufprägungen jeweils parallel zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft sind die Aufprägungen jeweils pa rallel zur Kante der Kühlrippe ausgerichtet. Vorzugsweise sind jeweils zwischen den Aufprägungen Einker bungen positioniert. Vorzugsweise weisen die Einkerbungen ei nen dreieckigen Querschnitt auf.

Vorzugsweise ragen die Aufprägungen der Kühlrippe in die Ein kerbungen der jeweils benachbarten weiteren Kühlrippe hinein.

Durch die Erweiterung der bestehenden Kühlrippen mit weiteren Kühlrippen kann nachträglich die Kühlleistung der Leistungs moduleinheit vergrößert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlrippe zumindest bereichsweise aus Kohlenstoff, beispielsweise aus Graphit, ausgebildet.

Vorteilhaft kann die Kühlrippe zumindest bereichsweise aus Carbon-Nanotubes ausgebildet sein oder Carbon-Nanotubes um fassen .

Insbesondere Graphit oder Carbon-Nanotubes weisen eine beson ders hohe Wärmeleitfähigkeit auf.

Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit kann die Kühlung der Grund platte verbessert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Kühlrippen miteinander verbunden.

Die Verbindung der Kühlrippen erfolgt vorteilhaft durch Ver bindungselemente. Die Verbindungselemente und die Kühlrippen bilden vorzugsweise eine Einheit. Die Einheit wird vorteil haft als Ganzes in die Aussparungen der Grundplatte einge bracht werden.

Vorzugsweise sind die Verbindungselemente Stoffschlüssig mit den Kühlrippen verbunden. Vorzugsweise sind die Kühlrippen und die Verbindungselemente einstückig ausgeführt. Vorzugsweise weisen die Verbindungs elemente Öffnungen auf. Die Öffnungen dienen vorteilhaft zur Reduktion von Gewicht. Weiter sind die Öffnungen vorzugsweise zur Durchführung eines Kühlmediums, insbesondere eines Kühl- luftstroms, ausgebildet.

Durch die Einheit ist eine besonders feste und gleichmäßige Verbindung der Kühlrippen mit der Grundplatte möglich. Über dies kann Wärme von einer Kühlrippe zu einer anderen Kühlrip pe übertragen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Kühl rippen mit Verbindungselementen zu einer Einheit miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Einheiten derart gestaltet, dass eine Einheit durch eine Steckverbindung, eine Pressver bindung oder eine Klebeverbindung mit einer weiteren Einheit verbindbar ist.

Die Einheit weist vorzugsweise parallel ausgerichtete Kühl rippen auf, wobei Kühlrippen durch die Verbindungselemente miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise weisen die Kühlrippen an beiden Enden eine strukturierte Oberfläche, insbesondere eine gerippte Oberflä che, auf. Durch die strukturierte Oberfläche ist eine verbes serte Verbindung der Kühlrippen miteinander möglich, wobei vorzugsweise zur Verbindung eine Kühlrippe zwischen jeweils zwei andere Kühlrippen gesteckt wird. Die strukturierte Ober fläche dient zum verbesserten Zusammenhalt der Kühlrippen un tereinander. Durch die Verbindungselemente werden die Kühl rippen miteinander fixiert.

Eine vorteilhafte Anwendung der hier beschriebenen Leistungs moduleinheit ist Frequenzumrichter oder Netzteil, insbesonde re für den industriellen Einsatz. Vorteilhaft dient ein solcher Frequenzumrichter für mobile Anwendungen wie zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Weiter vorteilhaft ist die Erfindung bei

elektrisch angetriebenen Flugzeugen anwendbar. Zusätzlich ist die Erfindung vorteilhaft für ein Ladegerät einsetzbar. Vor zugsweise findet die Erfindung bei einem Ladegerät für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder Flugzeug Anwendung.

Vorteilhaft können die Art, Anzahl, Form und Größe der Kühl rippen nach dem Kühlbedarf der Leistungsmoduleinheit in der jeweiligen Anwendung ausgewählt werden.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Leistungsmoduleinheit weist die Leistungsmoduleinheit eine Grundplatte mit Ausspa rungen auf einer ersten Seite auf, umfassend folgende Schrit te :

a) Positionieren eines Substrates auf einer zweiten, den Aus sparungen gegenüberliegenden, Seite;

b) Erwärmen der Grundplatte und des Substrates, so dass das Substrat, insbesondere durch eine Löt-, Sinter- oder Press verbindung, auf der ersten Seite der Grundplatte befestigt wird;

c) Einbringen und Befestigen von zumindest einer Kühlrippe in der jeweiligen Aussparung, wobei die Befestigung formschlüs sig und/oder kraftschlüssig ausgeführt wird.

Optionale und vorteilhafte Schritte bei der Herstellung der Leistungsmoduleinheit sind:

- Befestigen eines Gehäuses an der Grundplatte, wobei das Ge häuse das Substrat und einen Leistungshalbleiter schützt;

- Aufbringen von Kontaktelementen auf einer Metall-Schicht, wobei die Metall-Schicht zur Befestigung des Leistungshalb leiters dient. Das jeweilige Kontaktelement kann auf einer Seite mit dem Gehäuse verbunden sein. Das Kontaktelement dient vorteilhaft zum Anschluss des Leistungshalbleiters mit einer elektrischen Leitung. - Vorzugsweise erfolgt eine Isolation des Substrates. Eine Isolation erfolgt vorteilhaft durch Beaufschlagen des Sub strates mit einem nicht-leitenden Werkstoff auf Polymer- Basis, insbesondere auf Silikon-Basis.

Vorzugsweise erfolgt das Erwärmen der Grundplatte mit dem Substrat in einem Ofen. Das Substrat und die Grundplatte wer den auf eine Temperatur zwischen 200 und 500 Grad erwärmt.

Die Erwärmung dient zur Ausbildung einer Löt-, Sinter oder Pressverbindung von dem Substrat mit der Grundplatte.

Die Kühlrippen werden vorzugsweise gemeinsam in jeweils für die Kühlrippe vorgesehene Aussparung eingebracht. Hierzu wer den die Kühlrippen ausgerichtet und die Grundplatte aufge presst .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Aussparungen nach der Befestigung des Substrates in die Grundplatte einge bracht .

Vorzugsweise werden die Aussparungen durch eine spanhebende Bearbeitung in die Grundplatte eingebracht. Durch das nach trägliche Einbringen der Aussparung kann die Grundplatte ohne Aussparungen in einem Ofen erwärmt werden. Durch die quader förmige Ausführung der Grundplatte kann die Grundplatte be sonders gleichmäßig erwärmt werden und ist bei einer Press verbindung der Grundplatte mit dem Substrat besonders stabil ausgebildet .

Zur Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung kann das Ma terial der Grundplatte und das Material der jeweiligen Kühl rippe derart ausgewählt werden, dass bei einer erwärmten Grundplatte der Querschnitt der Aussparung der Grundplatte vergrößert ist und bei Raumtemperatur um den Teil der Kühl rippe, der sich in der Aussparung befindet, eine kraftschlüs sige und/oder formschlüssige Verbindung ausbildet. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Löt-Verbindung oder eine Klebeverbindung für eine Befestigung der jeweiligen Kühlrippe mit der Grundplatte beitragen.

Durch das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung der Leistungsmoduleinheit können die Kühlrippen entsprechend dem jeweiligen Einsatz ausgewählt werden. Gleichzeitig wird bei der Verbindung der Grundplatte mit dem Substrat Zeit ein gespart, weil die Kühlrippen nicht mit erwärmt werden müssen. Zudem ist durch das Erwärmen der Grundplatte ohne Kühlrippen eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung möglich, was zu einer verbesserten Löt- oder Sinterverbindung des Substra tes mit der Grundplatte führt.

Überdies kann vorteilhaft die Höhe des Ofens besonders nied rig ausgebildet sein.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erwärmen der Grundplatte mit dem Substrat in ei nem Ofen.

Die Erwärmung der Grundplatte und des Substrates auf der Grundplatte erfolgt vorzugsweise in einem Durchlaufofen .

Durch eine einfache Veränderung der Durchlaufzeit der Grund platten durch den Ofen kann die notwendige Erwärmung der Grundplatte und des Substrates gut eingestellt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Einbringen der Kühlrippe in die Aussparung nach einem Abkühlen der Grundplatte.

Vorzugsweise wird vor dem Einbringen der Kühlrippe die Grund platte auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch das Abkühlen der Grundplatte kann beim Einbringen einer Kühlrippe ein Verbie gen von Aufprägungen in der Aussparung verhindert werden. Zu dem ist bei einer Klebeverbindung der Kühlrippen mit der Grundplatte ein verbesserter Halt möglich. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Kühlrippen entlang der Aussparung in die jeweilige Aussparung eingebracht.

Um das Substrat beim Einbringen der Kühlrippe in die Ausspa rung zu schonen, sollte die Kraft, die zu einem Biegen der Grundplatte führt, vermieden werden. Da die Grundplatte ent lang der tangentialen Richtung zu den Seiten stabiler ist, führt ein Einbringen der zumindest einen Kühlrippe in tangen tialer Richtung zu einer geringen Verformung der Grundplatte und somit zu einer geringen Belastung des Substrates.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die jeweilige Kühlrippe eine Öffnung, wobei ein

Pressmittel in die Öffnung der Kühlrippe geführt wird und mit Hilfe des Pressmittels die Kühlrippe in die Aussparung ge presst wird.

Je nach Form des Pressmittels und eines Querschnitts der Kühlrippe kann das Pressmittel zur Ausbildung einer form schlüssigen Verbindung beitragen. Das Pressmittel verformt vorzugsweise das jeweilige Ende der Kühlrippe, so dass das Material der Kühlrippe die Aussparung zumindest bereichsweise ausfüllt .

Als Pressmittel ist ein Stab einsetzbar. Das Pressmittel wird vorzugsweise durch eine Öffnung der Kühlrippe geführt und die Kühlrippe in die Aussparung eingebracht. Durch Verwendung ei nes Pressmittels, welches in der Umgebung der Aussparung auf die Kühlrippe wirkt, kann ein Verbiegen der Kühlrippe wirksam verhindert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Grundplatte Kupfer, Aluminium oder eine Schicht aus Kupfer und eine Schicht aus Aluminium auf und/oder weist die jeweilige Kühlrippe Kupfer, Aluminium oder einer Legierung auf . Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erwärmen der Grundplatte mit dem Substrat in ei nem Ofen und/oder erfolgt das Einbringen der Kühlrippe in die Aussparung nach einem Abkühlen der Grundplatte.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Kühlrippen, welche für die Einbringung in die Aus sparrungen der Grundplatte vorgesehen sind, in einem Schritt in die jeweils für die Kühlrippe vorgesehene Aussparung ein gebracht .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Einbringen der zumindest einen Kühlrippe tangen tial zur ersten Seite der Grundplatte, wobei die Aussparung einen Querschnitt aufweist, welcher insbesondere trapezförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise werden alle Kühlrippen derart in die Grundplatte eingebracht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim tangentialen Einbringen der zumindest einen Kühl rippe in die Grundplatte die mindestens eine Kühlrippe ortho gonal zum Querschnitt der Aussparung in die Aussparung ge schoben, so dass insbesondere die Grundplatte nur minimal verformt wird. Vorzugsweise werden alle Kühlrippen derart in die Grundplatte geschoben.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die zumindest eine Kühlrippe über eine Seitenfläche der Grundplatte, welche orthogonal zu der Seitenfläche ausgerich tet ist, in die Aussparung eingebracht, insbesondere einge schoben oder eingezogen.

Die zumindest eine Kühlrippe wird folglich von der Seitenflä che der Grundplatte ausgehend in die Aussparung geschoben o- der gezogen, so dass während des Einbringens der zumindest einen Kühlrippe in die Aussparung die Aussparung schrittweise von der zumindest einen Kühlrippe mit Blick auf die erste Seite der Grundplatte überdeckt wird. Vorzugsweise werden al- le Kühlrippen derart in die Grundplatte geschoben oder gezo gen .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher be schrieben und erläutert. Die in den Figuren gezeigten Ausfüh rungen sind lediglich beispielhaft und schränken die Erfin dung nicht ein. Einzelne Merkmale der beispielhaften Ausfüh rungen können zu weiteren Ausführungen der Erfindung kombi niert werden.

Es zeigen:

FIG 1 eine beispielhafte Leistungsmoduleinheit,

FIG 2 ein Ausschnitt einer beispielhaften Leistungsmodu leinheit,

FIG 3 ein beispielhaftes Verfahren,

FIG 4 einen möglichen Querschnitt einer Aussparung,

FIG 5 eine weitere beispielhafte Leistungseinheit,

FIG 6 einen Ausschnitt einer Leistungsmoduleinheit,

FIG 7 einen Ausschnitt einer Leistungsmoduleinheit

sowie

FIG 8 eine Verbindung zwischen Kühlrippen und weiteren

Kühlrippen .

FIG 1 zeigt eine beispielhafte Leistungsmoduleinheit 1. Die Leistungsmoduleinheit 1 umfasst eine Grundplatte 3, wobei die Grundplatte 3 auf einer ersten Seite Aussparungen 9 aufweist. Die Aussparungen 9 dienen jeweils zur Aufnahme zumindest ei ner Kühlrippe 7. Die Grundplatte weist auf einer zweiten Sei te 3b ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 dient als Träger für die Leistungshalbleiter 5. Das Substrat ist vorzugsweise aus einer Keramik hergestellt, wobei das Substrat auf beiden Sei ten eine Kupfer-Beschichtung aufweist. Die Kupfer- Beschichtung dient insbesondere als Grundlage einer Löt- Verbindung 11 zur Befestigung des Substrates 4 auf der Grund platte 3. Die Leistungshalbleiter 5 sind vorzugsweise eben falls durch eine Löt-Verbindung 11 mit dem Substrat 4 verbun den .

Die Grundplatte 3 ist vorzugsweise aus einer Kupfer- oder ei ner Aluminium-Legierung ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist die Grundplatte 3 im unteren Bereich, angrenzend an die erste Seite 3a, aus Aluminium hergestellt und im oberen Be reich, angrenzend an die zweite Seite 3b, aus Kupfer herge stellt. Grundlage für eine solche Grundplatte 3 ist ein ge schichtetes Material. Ein möglicher geschichteter Aufbau ist durch die gestrichelte Linie in der Grundplatte 3 angezeigt.

Die jeweilige Kühlrippe wird durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung in die jeweilige Ausspa rung 9 der Grundplatte 3 mit der Grundplatte 3 befestigt.

FIG 2 zeigt einen Ausschnitt einer beispielhaften Leistungs moduleinheit 1. Gezeigt ist eine Grundplatte 3 mit einer Mehrzahl von Kühlrippen 7. Die Kühlrippen 7 sind jeweils in einer der Aussparungen 9 der Grundplatte 3 eingebracht. Die gezeigten Kühlrippen 7 weisen jeweils zwei Öffnungen 7a auf. Die Öffnungen 8 sind durch eine Grenze in der Mitte der Kühl rippe 7 voneinander getrennt. Somit wird ein 8-förmiges Pro fil der Kühlrippe ausgebildet. Durch das 8-förmige Profil kann ein Luftstrom die Kühlrippe besonders effizient kühlen.

An dem jeweiligen Ende 7b der Kühlrippe 7 ist die Kühlrippe 7 verstärkt ausgebildet. Eine solche Verstärkung kann durch ei ne erhöhte Wandstärke der Kühlrippe 7 im Bereich deren jewei ligen Endes 7a erreicht werden. Durch eine Verstärkung der Kühlrippe 7 an ihrem jeweiligen Ende 7a ist eine besonders stabile Verbindung der jeweiligen Kühlrippe 7 mit der Grund platte 3 möglich. FIG 3 zeigt ein beispielhaftes Verfahren. Das Verfahren um fasst einen ersten Schritt a, einen zweiten Schritt b, einen dritten, optionalen Schritt c und einen vierten Schritt d.

Im ersten Schritt a wird die jeweilige Aussparung 9 in die Grundplatte 3 eingebracht. Die Aussparung wird durch einen Walzprozess, ein spanhebendes Verfahren wie Fräsen oder durch ein Schmiedeverfahren in die Grundplatte eingeprägt.

In einem zweiten Schritt b wird auf der zweiten Seite 3b der Grundplatte 3 ein Substrat 4 positioniert. Zur Befestigung des Substrates 4 auf der zweiten Seite 3b der Grundplatte 3 wird die Grundplatte mit dem Substrat in einem Ofen auf eine Temperatur von 200 Grad bis 500 Grad Celsius erwärmt. Das Substrat 4 wird in dem zweiten Schritt b durch eine Löt- Verbindung oder eine Sinter-Verbindung mit der zweiten Seite 3b der Grundplatte fest verbunden.

In einem dritten, optionalen, Schritt c wird die Grundplatte mit dem Substrat wieder auf die Raumtemperatur abgekühlt. Je nach Art der Verbindung des Substrates 4 auf der Grundplatte 3 erfolgt die Abkühlung schnell oder langsam.

In einem vierten Schritt d werden die Kühlrippen 7 in die je weilige Aussparung 9 der Grundplatte eingebracht und befes tigt. Das Einbringen der Kühlrippen erfolgt entweder von der Seite, das heißt tangential zur ersten Seite 3a der Grund platte 3 oder senkrecht hierzu. Beim tangentialen Einbringen der Kühlrippen 7 in die Grundplatte wird die Kühlrippe 7 or thogonal zum Querschnitt 9a der Aussparung 9 in die Ausspa rung geschoben. Ein solches Einbringen verformt die Grund platte vorteilhaft nur minimal.

Bei einem senkrechen Einbringen der jeweiligen Kühlrippe 7 in die Aussparung 9 sollte darauf geachtet werden, dass die Kraft, welche auf die Grundplatte 3 wirkt, nicht zu einer Verformung der Grundplatte 3 führt, da ansonsten das Substrat 4 beschädigt werden könnte.

FIG 4 zeigt einen möglichen Querschnitt 9a einer Aussparung 9. Die Aussparung 9 der Grundplatte 3 ist nach innen ver jüngt. Zur verbesserten Halterung der Kühlrippe 7 weist die Aussparung 9 an ihrer Innenseite 9b Aufprägungen 10 auf. Die Aufprägungen 10 dienen vorteilhaft zur Ausbildung bereichs weise formschlüssiger Verbindungen zwischen der Grundplatte 3 (hier als Ausschnitt gezeigt) und der Kühlrippe 7.

Der trapezförmige Querschnitt 9a der Aussparung 9 dient bei einem senkrechten Einbringen der Kühlrippe 7 in die Ausspa rung 9 zur Reduktion der Kraft, welche senkrecht zur ersten Seite 3a oder zweiten Seite 3b der Grundplatte 3 wirkt. Viel mehr wird die Kraft in tangential zur jeweiligen Seite 3a, 3b der Grundplatte 3 verlaufende Richtung umgelenkt. Dies ist durch die Pfeile, die von der Aussparung ausgehen, darge stellt .

In der Figur ist überdies ein Pressmittel 11 angedeutet. Das Pressmittel 11 dient zum Einbringen der Kühlrippe 7 in die Aussparung 9. Vorzugsweise ist das Pressmittel 11 als Stab ausgeführt, welcher durch die Öffnung 7a der Kühlrippe ge führt wird und die Kühlrippe 7 in die Aussparung 9 der Grund platte 3 pressen kann. Je nach Form des Pressmittels 11 und eines Querschnitts der Kühlrippe 7 kann das Pressmittel 11 zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung beitragen.

Das Pressmittel 11 verformt vorzugsweise das jeweilige Ende 7a der Kühlrippe 7, so dass das Material der Kühlrippe 7 die Aussparung 9 zumindest bereichsweise ausfüllt.

FIG 5 zeigt eine weitere beispielhafte Leistungsmoduleinheit 1. Die Leistungsmoduleinheit 1 weist einen analogen Aufbau wie die Leistungsmoduleinheit auf, die in FIG 1 gezeigt ist. Im Unterschied zu FIG 1 umfasst die hier gezeigte Leistungs moduleinheit 1 Kühlrippen 7, die miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Kühlrippen erfolgt durch Verbindungsele- mente 17. Die Verbindungselemente 17 und die Kühlrippen 7 bilden hier eine feste Einheit. Die Einheit aus Kühlrippen 7 und Verbindungselementen 17 wird in die Aussparungen 9 der Grundplatte 3 eingebracht und dort zumindest bereichsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Grundplatte verbunden .

FIG 6 zeigt einen Ausschnitt einer Leistungsmoduleinheit 1. Gezeigt ist ein Ausschnitt der Grundplatte 3 mit der Ausspa rung 9, wobei in die Aussparung 9 eine Kühlrippe 7 einge bracht worden ist. Due Kühlrippe 7 umfasst einen Aufsatz 25, wobei der Aufsatz 25 so auf der jeweiligen Seite der Kühlrip pe 7 positioniert ist, dass nach dem Einbringen der Kühlrippe 7 in die Aussparung 9 ein Hohlraum 23 in der Aussparung aus gebildet ist. Der Hohlraum 23 ist zwischen der Seite der Kühlrippe 7 und der Bodenseite der Aussparung 9 angeordnet. Der Hohlraum 23 ist ausgebildet, weil die Kühlrippe nicht vollständig in die Aussparung 9 eingebracht ist. Zur Ausbil dung des Hohlraums 23 ist der jeweilige Aufsatz 25 derart an den Seiten der Kühlrippe 7 positioniert, dass der Aufsatz 25 nach dem Einbringen der Kühlrippe 7 in die Aussparung 9 die erste Seite 31 berührt oder an dieser befestigt ist.

Vorteilhaft liegt der Aufsatz 25 der Kühlrippe 7 auf der ers ten Seite 3a der Grundplatte 3 auf. Vorteilhaft erhöht das Aufliegen des Aufsatzes 25 auf der ersten Seite 3a eine flä chige Verbindung 21 zwischen Kühlrippe 7 und der Grundplatte. Die flächige Verbindung dient zur Übertragung von Wärme von der Grundplatte 3 auf die Kühlrippe.

Die Höhe des Hohlraums 23 kann auch so klein ausgestaltet sein, dass die Unterseite der Aussparung 9 die Kühlrippe 7 stellenweise berührt.

FIG 7 zeigt einen Ausschnitt einer Leistungsmoduleinheit 1. Analog zu dem Ausschnitt, der in FIG 6 gezeigt ist, weist die Kühlrippe 7 ebenfalls einen Aufsatz 25 auf. Der Aufsatz 25 ist so ausgebildet, dass er eine schräge Auflagefläche auf- weist, wobei die schräge Auflagefläche auf einer entsprechen den Schräge bei der Aussparung 9 aufliegt. Beim Einbringen der Kühlrippe 7 in die Aussparung 9 sind die entstehenden Kräfte durch Pfeile gekennzeichnet. Die Kräfte (durch die Pfeile symbolisiert) weisen, in Abhängigkeit der Ausrichtung der schrägen Auflagefläche, eine Kraftkomponente in paralle ler Richtung zur ersten Seite der Grundplatte 3 auf.

Durch die schräge Ausrichtung der Auflagefläche wird beim Einbringen der Kühlrippe 7 weniger Kraft auf die Grundplatte 3 zur Ausbildung einer Biegespannung und somit zu einer Be lastung des Substrates 4 aufgeprägt. Darüber hinaus ist die Fläche zwischen der Kühlrippe 7 und der Grundplatte 3 vergrö ßert. Durch die vergrößerte Fläche kann Wärme von der Grund platte 3 auf die Kühlrippe abgegeben werden.

Zur verbesserten Verbindung der Kühlrippe 7 mit der Grund platte weist die Innenseite 9a der Aussparung 9 und/oder die Kühlrippe 7 an ihrer Seite eine Aufprägung 10 auf. Die Auf prägung ragt vorzugsweise in eine Einkerbung, wobei die Ein kerbung auf jeweils der Seite eingebracht ist, welche die Aufprägung berührt. Vorzugsweise trägt eine solche Aufprägung 10 zur verbesserten Stabilität der Verbindung zwischen der Grundplatte 3 und der Kühlrippe 7 bei.

FIG 8 zeigt eine Verbindung 21 zwischen Kühlrippen 7 und wei teren Kühlrippen 7'. Die Verbindung 21 zwischen den Kühlrip pen 7 und den weiteren Kühlrippen 7 ' kann durch eine Klemm verbindung oder eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet sein. Zum verbesserten Zusammenhalt können die Kühlrippen 7 und/oder die weiteren Kühlrippen 7' im Bereich der Verbindung 21 eine gerippte Struktur aufweisen. Vorzugsweise weisen Kühlrippen 7 und/oder weitere Kühlrippen 7' an ihrer jeweili gen Seite bereichsweise parallel verlaufende Aufprägungen mit dreieckigem Querschnitt auf. Diese Aufprägungen können auch in Einkerbungen ragen, wobei die Einkerbungen einen dreiecki gen Querschnitt aufweisen und zwischen den Aufprägungen in die Kühlrippe 7 und/oder die weitere Kühlrippe 7' positio- niert sind. Eine solche Verbindung 21 ist in der vergrößerten Darstellung gezeigt. Die gerippte Struktur dient zur stabile ren Verbindung der Kühlrippen 7 mit der jeweils weiteren Kühlrippe 7 ' .

Gezeigt ist ein Verbindungselement 17, wobei das Verbindungs element 17 die Möglichkeit der Verbindung der Kühlrippen 7 (analog zur Ausführung, die in FIG 5 gezeigt ist) offenbart.

Die weiteren Kühlrippen 7', welche in den Zwischenräumen der jeweils parallel ausgerichteten Kühlrippen 7 eingebracht sind, dienen zur weiteren Verbesserung der Kühlung jeweils parallel ausgebildeter Kühlrippen 7 und damit zur verbesser ten Kühlung des Substrates 4 auf der Grundplatte 3.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung einer Leistungsmoduleinheit 1 sowie eine Leistungs moduleinheit 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Netzteil und einen Frequenzumrichter. Zur Herstellung der Leistungsmoduleinheit 1 wird eine Grundplatte 3 mit Ausspa rungen 9 versehen. Die Grundplatte wird mit einem Substrat 4, welches den Leistungshalbleiter 5 trägt, verbunden. Nach der Befestigung des Substrates 4 auf der Grundplatte werden die Kühlrippen 7 in die Aussparungen 9 der Grundplatte 3 geführt und formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt. Durch die Ausführung kann eine Leistungsmoduleinheit 1 bedarfsge recht mit Kühlrippen 7 ausgebildet werden und gleichzeitig die Herstellung der Leistungsmoduleinheit 1 vereinfacht wer den .