Befestigung von Leistungshalbleiterbauelementen auf gekrümm ten Oberflächen

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Leistungs halbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmodul und mit ei nem Bauteil, insbesondere mit einem Kühlkörper. Ein Strom richter mit einer derartigen Anordnung und ein Fahrzeug mit einem Stromrichter werden ebenfalls angegeben.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, Leistungsmodule mit Leistungshalbleiterbau elementen als Flachbaugruppe mit einem planen Kühler (= Kühl körper) zu verbinden. Liegt der Kühler jedoch als gebogene Anordnung vor (z.B. als Rundkühler) bzw. soll ein bereits be stehendes Strukturbauelement als Kühlfläche genutzt werden, sind hohe Aufwände erforderlich, die Leistungselektronik an zubinden. Beispielsweise müssen Fräsungen im Kühler vorgenom men oder größere Mengen an Wärmeleitpaste als Ausgleichmedium eingebracht werden oder bestehende dünnwandige Strukturbau elemente aufgedickt werden. Letzteres wirkt sich zudem nega tiv auf das Systemgewicht aus.

Ist dies nicht möglich oder ist das Platzangebot limitiert (z.B. bei Spezialaufbauten im Motorenbereich), so ist es von Vorteil, wenn das Leistungsmodul (inklusive Substrat und Bo denplatte) im gebogenen Zustand aufgebaut werden kann. Hier bei kann neben dem Platzangebot auch eine effizientere Küh lung stattfinden, was direkt mit der Lebensdauer oder Perfor- manz der Halbleiterchips und damit des gesamten Power Moduls einhergeht .

Bekannt sind Leistungselektronik-Varianten, die sich mit ei ner dreidimensionalen Anordnung der Schaltung oder der Module beschäftigen. Diese haben jedoch alle gemeinsam, dass das Leistungsmodul plan, d.h. nicht gebogen, angebunden wird. Ne ben diesen Varianten gibt es weitere Möglichkeiten, eine dreidimensionale Anordnung zu erreichen.

1. Flexible Leiterplatte

Flexible Leiterplatten haben sich in den letzten Jahren zu nehmend als Schaltungsträger etabliert, da kompakte und kom plexe Aufbauten realisiert werden können. Der Schaltungsträ- ger besteht meist aus Polyimid mit einer Dicke zwischen

25 bis 100 gm und ist ein- oder doppelseitig mit Walzkupfer mit einer Dicke zwischen 18 und 70 gm mittels eines Klebers (z.B. Acryl) oder direkt mittels Wärmeverpressung verbunden. Durch die geringen Dicken und der hohen Rissfestigkeit von Polyimid kann die Leiterplatte somit mit gekrümmten Oberflä chen, z.B. eines gebogenen Kühlers, verbunden werden. Nach teilig ist jedoch die limitierte Cu-Leiterbahndicke, die für leistungselektronische Anwendungen nur bedingt geeignet ist.

2. MID (Mechatronic Integrated Devices)

Hierbei wird ein katalysatorgefülltes Polymer an den späteren Leiterbahnstellen mittels eines Lasers (z.B. CO2-Laser) auf geschmolzen und die Konzentration des Katalysators, z.B. Pal ladium, erhöht. Ein nachfolgender stromloser Galvanikschritt kann am Katalysator anwachsen und verstärkt somit die Leiter bahnen. Durch den Polymerspritzgussprozess ergibt sich ein hoher Freiheitsgrad an Geometrien, wie z.B. gebogene Flächen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein langsames Wachstum der Leiterbahnen vorhanden ist und damit lediglich geringe Schichtdicken hergestellt werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die es erlaubt, zuverlässig Leistungshalbleiterbauelemente auf ge krümmten Oberflächen, insbesondre von Kühlern, zu befestigen. 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 Aspekt der Erfindung besteht darin, eine neuartige Lösung zur Realisierung einer gebogenen Leistungselektronik anzuge ben, die einerseits platzsparend aufgebaut werden kann und andererseits eine hohe Entwärmung sicherstellt.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Leistungsmodul und mit einem Bauteil, insbesondere mit einem Kühlkörper, wo bei das Bauteil eine gekrümmte Oberfläche aufweist und das Leistungsmodul auf der Oberfläche angeordnet und mit dem Bau teil kraftschlüssig lösbar verbunden ist.

In einer Weiterbildung kann das Leistungsmodul ein Gehäuse mit innenliegenden Stempeln aufweisen, wobei die Stempel aus gebildet sind, auf die Leistungshalbleiter oder auf einen Schaltungsträger des Leistungsmoduls in Richtung der Oberflä che des Bauteils zu pressen.

In einer weiteren Ausgestaltung können auf dem Schaltungsträ- ger die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse durch Schrauben auf dem Bauteil kraftschlüssig fixiert sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Gehäuse mit einer durch Schrauben fixierten Bandschlinge auf dem Bauteil kraft schlüssig fixiert sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Gehäuse mit Klammern auf dem Bauteil kraftschlüssig fixiert sein. In einer weiteren Ausgestaltung können mehrerer Leistungsmo- dule mit Gehäusen mit einer einzigen Bandschlinge oder einem Schrumpfschlauch auf dem Bauteil kraftschlüssig fixiert sein.

In einer Weiterbildung kann das Bauteil zylinderförmig ausge bildet sein und die Bandschlinge kann das Bauteil umschlin gen, wobei die beiden Enden der Bandschlinge in einer Veran kerung auf dem Bauteil fixiert sind.

In einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen dem Bauteil und dem Leistungsmodul ein elastisches erstes Wärmeleitmaterial angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse mit einem elastischen zweiten Wärmeleitmaterial gefüllt sein.

Die Erfindung beansprucht auch einen Stromrichter, insbeson dere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.

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.

Außerdem beansprucht die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug 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 weist das Luftfahrzeug einen durch den mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Anordnung eines ersten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Anordnung eines zweiten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Anordnung eines dritten Aus- führungsbeispiels ,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Anordnung eines vierten Aus- führungsbeispiels ,

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 bis Fig . 4 zeigen Schnittansichten von Ausführungsbei spiele, wie die leistungselektronische Schaltung (= Leis tungsmodul 1) in Kontakt mit einem eindimensional gekrümmten Bauteil 2, insbesondere mit einem Kühlkörper, zu bringen ist. Auf der Unterseite des Leistungsmoduls 1 befindet sich ein Schaltungsträger 4, auf dem die Leistungshalbleiterbauelemen- te 3 angeordnet sind. Dabei wird dauerhaft mittels einer ge eigneten Vorrichtung bzw. eines geeigneten Druckstempels das Leistungsmodul 1 auf die gekrümmte Oberfläche des Bauteils 2 gepresst .

Durch den Anpressdruck wird auch die Topologie bzw. die Krüm mung der Oberfläche des Bauteils 2 auf die Schaltung bzw. den Schaltungsträger 4 des Leistungsmoduls 1 übertragen. Der Schaltungsträger 4 kann keramischer oder organischer Natur sein. Der Stempel 5.1 zum Anpressen der Leistungshalbleiter bauelemente 3 kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein und direkt oder indirekt (z.B. mit Hilfe eines Druckaus gleichsmaterials) auf die Leistungshalbleiterbauelemente 3 oder auf Teile des Schaltungsträgers drücken.

Der Stempel 5.1 kann sowohl in ein Gehäuse 5 integriert als auch als eigenständiges Bauteil ausgeführt sein. Zusätzlich kann der Stempel 5.1 auch für die elektrische Kontaktierung der Schaltung oder auch als zusätzliche Möglichkeit der ober seitigen Wärmeabfuhr genutzt werden. Das Aufbringen der nöti gen Anpresskraft kann im einfachsten Fall durch Schrauben 6 (Fig. 1) gewährleistet werden, welche die Stempel 5.1 anpres sen .

Es sind auch weitere Lösungen möglich, z.B. das Aufdrücken des Leistungsmoduls 1 mittels eines Spannrings oder eines Spannbands (= Bandschlinge 7, Fig. 2) sowie durch Hebel oder Klammern 8 (Fig. 3) . Das Verwenden einer Bandschlinge 7 bie tet die Möglichkeit, auf eine einfache Art und Weise eine Vielzahl an Leistungsmodulen 1 um ein zylinderförmiges Bau teil 2 (z.B. Turbinen-/ Propellergehäuse,

Motor, Kühlrohr, etc.) herum anzuordnen (Fig. 4) . Die Enden der Bandschlinge 7 sin in einer Verankerung 9 auf dem Bauteil 2 fixiert. Anstelle der Bandschlinge 7 kann auch eine Art Schrumpfschlauch eingesetzt werden.

Eine zusätzliche Kontaktkraft kann durch eine geeignete Kon struktion des Gehäuses 5 und durch das Ausnutzen der thermi- sehen Ausdehnung der verwendeten Materialien erzeugt werden. Durch die Ausdehnung werden die Leistungsmodule 1 im wärmen den Betrieb verstärkt gegen das Bauteil 2 gedrückt. Der Zwi schenraum zwischen dem Schaltungsträger 4 und dem Bauteil 2 ist bevorzugt mit einem gut wärmeleitfähigen ersten Wärme leitmaterial 10 (Wärmeleitpaste, Wärmeleitpad, Thermoöl, Gra- phit-Pad, etc.) gefüllt. Die Zwischenräume im Gehäuse 5 sind können mit einem zweiten Wärmeleitmaterial gefüllt sein. Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 12, ins besondere eines Umrichters, mit einem erfindungsgemäß auf ei nen Kühler 10 gefügten Leistungsmodul 1 gemäß den Darstellun gen der Fig. 1 bis Fig. 4. Fig. 6 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 14, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrich ter 12 gemäß Fig. 5, der einen Elektromotor 15 mit elektri scher Energie versorgt. Der Elektromotor 15 treibt einen Pro peller 16 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeu- gungseinheit .

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

2 Bauteil (insbesondere Kühlkörper)

3 Leistungshalbleiterbauelement

4 Schaltungsträger

5 Gehäuse

5.1 Stempel

6 Schraube

7 Bandschlinge

8 Klammer

9 Verankerung

10 erstes Wärmeleitmaterial

11 zweites Wärmeleitmaterial

12 Stromrichter

13 Luftfahrzeug

14 Elektromotor

15 Propeller