Titel

Verfahren zum Verbinden eines Kühlermoduls mit einer Metallplatte und Bauteil

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Kühlermoduls mit einer Metallplatte sowie ein Bauteil, das ein Kühlermodul und ein elektronisches Leistungsmodul umfasst.

Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik führen hohe elektrische Ströme. Hieraus resultieren beim Betrieb hohe Temperaturen, die zu Leitverlusten und daraus folgend zu Verlustwärmeleistung führen. Um dies zu vermeiden, wird ein Leistungselektronikmodul mit einem Hochleistungskühler verbunden. Dieser Kühler besteht aus Aluminium, AlSiC- oder Kupferlegierungen. Das Leistungsmodul kann dabei direkt auf eine Oberflächenplatte des Hochleistungskühlers gefügt, also z.B. gelötet oder gesintert sein.

Sinterverbindungen haben gegenüber Lötverbindungen den Vorteil, dass sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen, so dass die Kühlleistung des Hochleistungskühlers effektiver zur Kühlung des Leistungselektronikmoduls verwendet und die Wärme des Leistungselektronikmoduls besser abtransportiert werden kann. Zur Ausbildung von Sinterverbindungen werden jedoch neben hohen Temperaturen auch hohe Drücke angewandt. Diese können die oftmals filigran ausgebildeten Strömungsstrukturen im Inneren des Hochleistungskühlers beschädigen. Um dies zu verhindern, kann die Strömungsstruktur durch ein entsprechendes Bauteil gegen den aufzubringenden Druck abgestützt werden. Dies gelingt allerdings nur für Kühler, deren Strömungsstrukturen frei liegen, also für Kühler, die nicht allseitig geschlossen sind. Dieser Prozess ist somit sehr aufwendig, da einerseits das Abstützen auf die jeweilige Strömungsstruktur hin angepasst werden muss und andererseits der Kühler vor Inbetriebnahme noch geschlossen werden muss. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 stellt gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein deutlich vereinfachtes Verfahren dar, das sowohl das Ausbilden einer stabilen Sinterverbindung als auch die Verwendung von geschlossenen Kühlern ermöglicht. Das Bereitstellen eines spezifisch zur Abstützung der Strömungsstruktur des Kühlers ausgebildeten Abstützstruktur ist nicht erforderlich, so dass durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl Zeit als auch Kosten einspart werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Verbinden eines Kühlermoduls mit einer Metallplatte durch ein Sinterverfahren vorgesehen. Das Kühlermodul umfasst hierbei ein metallisches Gehäuse mit einem Kühlmitteleingang und einem Kühlmittelausgang. Das Gehäuse umfasst ferner eine erste Gehäuseseite, die erfindungsgemäß mit der Metallplatte verbunden werden soll. Im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Kühlmittelströmungsstruktur. Die Kühlmittelströmungsstruktur ist im Einzelnen nicht beschränkt und dient allgemein dazu Verwirbelungen im die Kühlmittelströmungsstruktur durchströmenden Kühlmittel zu erzeugen, so dass das Kühlmittel besonders viel Wärme aufnehmen kann. Auch wird durch die Kühlmittelströmungsstruktur die Oberfläche des Kühlmittels vergrößert. Dies trägt ebenfalls zu einer besonders effektiven Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel bei. Beispielhaft kann es sich bei der Kühlmittelströmungsstruktur um eine Gitterstruktur handeln.

Die Größe, Form und Art des Kühlers ist an die zu kühlende Struktur angepasst. Die zu kühlende Struktur wird hier durch eine Metallplatte symbolisiert. Die Metallplatte kann z.B. auf ihrer Oberfläche elektronische Leistungsmodule umfassen, wie sie für Leistungselektronik, wie z.B. sogenannte Powermodule, angewendet werden.

Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: zunächst wird mindestens ein Glykol zwischen die Kühlmittelströmungsstruktur eingebracht. Dies gelingt insbesondere durch Einfüllen des Glykols über den Kühlmitteleingang. Der Kühlmittelausgang wird geschlossen, so dass das Glykol im Gehäuseinneren verbleibt. Nach dem Einfüllen des Kühlmittels durch den Kühlmitteleingang wird auch der Kühlmitteleingang geschlossen. Der Kühler ist dann ein geschlossenes System. Mit anderen Worten kann ein konventioneller Kühler, der für die Kühlung einer Leistungselektronik vorgesehen ist, bereits für das Herstellen der Sinterverbindung verwendet werden, ohne dass es eines offenen Kühlers bedarf. Vielmehr wird der Kühler in seinem gebrauchsfertigen Zustand für das Verfahren verwendet. Er ist also bis auf den Kühlmitteleingang und den Kühlmittelausgang geschlossen, wobei der Kühlmitteleingang und der Kühlmittelausgang während des erfindungsgemäßen Verfahrens, nach dem Einbringen des Glykols, geschlossen werden.

Des Weiteren umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufbringens einer Sinterpaste. Die beiden vorstehend genannten Verfahrensschritte können in dieser aber auch in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden.

Als Sinterpaste kommen handelsübliche Sinterpasten zum Verbinden der entsprechenden Metalle der ersten Gehäuseseite und der Metallplatte zur Anwendung. Die Sinterpaste kann dabei auf die erste Gehäuseseite und/oder auf diejenige Oberfläche der Metallplatte aufgebracht werden, die zur Verbindung mit der ersten Gehäuseseite vorgesehen ist. Sie entspricht in der Regel der einer Leistungselektronik gegenüberliegenden Seite, und somit einer Unterseite der Leistungselektronik.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Sintern zum Verbinden der Metallplatte und der ersten Gehäuseseite ausgeführt. Dies erfolgt unter Anwendung von Druck und ggf. einer Erwärmung, je nach zu verwendender Sinterpaste. Geeignete Druckbereiche sind z.B. 10 bis 20 MPa und geeignete Temperaturbereiche sind 180 °C bis 230 °C.

Wichtig für die Verfahrensführung ist, dass das Glykol im Wesentlichen, d.h. bis auf technisch unvermeidbare Rückstände, wasserfrei ist, da sonst z.B. bei den angewendeten Temperaturen Luftbläschen entstehen würden, die keine gleichmäßige Abstützung ermöglichen, so dass die Sinterverbindung nicht homogen ausgebildet würde.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung können herkömmliche Kühler, die zumeist aufgrund der hohen bereitzustellenden Wärmeleitfähigkeit über ein sehr dünnes metallisches Gehäuse verfügen, direkt mit einer Metallplatte durch eine Sinterverbindung verbunden werden. Das in die Kühlmittelströmungsstruktur eingebrachte Glykol stellt eine sehr gute Abstützung bereit, ohne dass es eines hohen technischen oder kostentechnischen Aufwands bedarf.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Glykol ausgewählt aus Ethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol und Mischungen daraus. Die vorstehend genannten Glykole haben sich als besonders stabil bei den anzuwendenden Sintertemperaturen und Sinterdrücken herausgestellt und lassen sich zudem sehr gut einfüllen und auch wieder ausspülen.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, sind die Struktur, die Dimension und Form des Kühlermoduls im Wesentlichen nicht beschränkt. Vorteilhafterweise umfasst das Gehäuse des Kühlermoduls zwei durch Lötverbindungen verbundene Halbschalen. Die Halbschalen können als Unterschale und als Oberschale des Kühlermoduls, beispielsweise als Tiefziehteile, ausgebildet sein und umfassen dazwischenliegend die Kühlmittelströmungsstruktur. Die Ausbildung des Kühlermoduls mit zwei Halbschalen ist kostengünstig, wobei zusätzlich Gewicht durch weitere Komponenten eingespart werden kann. Eine der Halbschalen umfasst dabei die erste Gehäuseseite, die mit der Metallplatte durch eine Sinterverbindung verbunden wird.

Weiter vorteilhaft im Lichte einer hohen Wärmeleitfähigkeit ist das Kühlermodul aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl gebildet und besteht insbesondere aus Aluminium. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit und Anbindungsfähigkeit an die Metallplatte, kann das Aluminium oder der Edelstahl eine Kupferbeschichtung oder eine Silberbeschichtung aufweisen und kann das Kupfer eine Silberbeschichtung aufweisen.

Um eine besonders effiziente Kühlung bereitzustellen, umfasst das Kühlermodul vorteilhafterweise einen Turbolader.

Aus Gründen der sehr guten Verbindung mit einer Leistungselektronik und ferner aufgrund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, ist die Metallplatte eine Kupferplatte. Demgemäß ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Metallplatte Teil eines elektronischen Leistungsmoduls ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Bauteil beschrieben, das ein elektronisches Leistungsmodul und ein Kühlermodul umfasst, die mittels einer Sinterverbindung miteinander verbunden sind.

Bei dem Kühlermodul handelt es sich um ein solches mit einem geschlossenen metallischen Gehäuse mit einem Kühlmitteleingang und einem Kühlmittelausgang. Im Gehäuse ist eine Kühlmittelströmungsstruktur vorhanden. Das Gehäuse ist aus einem oder mehreren Gehäuseteilen gebildet, wobei zwei oder mehrere Gehäuseteile jeweils miteinander durch eine Lötverbindung verbunden sind. Auch kann die Kühlmittelströmungsstruktur mit dem Gehäuse durch eine oder mehrere Lötverbindungen verbunden sein. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Kühlermodul auch als Lötkühler beschrieben werden.

Das elektronische Leistungsmodul ist direkt über eine Sinterverbindung mit einer ersten Gehäuseseite des Kühlermoduls mit diesem verbunden. Unter einem elektronischen Leistungsmodul wird erfindungsgemäß mindestens eine Halbleiterstruktur verstanden (aus insbesondere Si/SiC), die an der mit der ersten Gehäuseseite verbundenen Unterseite eine Metallplatte, und insbesondere eine Kupferplatte, umfasst. Die Kupferplatte kann dabei versilbert und beliebig dünn ausgebildet sein. Die Metallplatte, bzw. die Kupferplatte, dient der Bildung der Sinterverbindung. Würde eine Sinterpaste direkt mit der Halbleiterstruktur des elektronischen Leistungsmoduls verbunden werden, würde die Halbleiterstruktur Schaden nehmen und das elektronische Leistungsmodul in seiner Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist aufgrund der Verwendung eines Lötkühlers sehr leichtbauend und einfach strukturiert. Insbesondere die mit dem elektronischen Leistungsmodul verbundene erste Gehäuseseite ist relativ dünn ausgebildet, so dass eine sehr gute Wärmeübertragung auf das im Kühlermodul enthaltene Kühlmittel gegeben ist. Durch die Sinterverbindung wird zusätzlich ein hoher Wärmeübergang unterstützt. Weiter vorteilhaft im Lichte einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit zum Abtransport von Wärme aus dem elektronischen Leistungsmodul auf das Kühlmittel im Kühlermodul bestehen das Gehäuse und/oder die Kühlmittelströmungsstruktur des Kühlermoduls aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl. Besonders vorteilhaft wird Aluminium als Material verwendet, oder Metall (z.B. Stahl), das mit Aluminium oder Kupfer beschichtet ist.

Zur besonders effizienten Kühlung des elektronischen Leistungsmoduls umfasst das Kühlermodul einen Turbolader.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Bauteils gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung im Schnitt.

Ausführungsform der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Dabei sind nur die erfindungswesentlichen Komponenten gezeigt, alle übrigen Komponenten sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Im Detail zeigt Fig. 1 ein Bauteil 1 gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung schematisiert im Schnitt. Das Bauteil 1 umfasst ein elektronisches Leistungsmodul 2, das mindestens einen Leistungshalbleiter umfasst. Eine Unterseite 3 des elektronischen Leistungsmoduls 2 ist aus einer Metallplatte aus Kupfer gebildet.

Das Bauteil 1 umfasst ferner ein Kühlermodul 4 mit einem Gehäuse 5 und einer in dem Gehäuse 5 liegenden Kühlmittelströmungsstruktur 6. Das Kühlermodul 4 hat ein geschlossenes metallisches Gehäuse 5 mit einem Kühlmitteleingang 7 und einem Kühlmittelausgang 8. Das Gehäuse 5 weist hier beispielhaft zwei Gehäuseteile 5a und 5b auf, die jeweils miteinander durch eine Lötverbindung verbunden sind. Ein erster Gehäuseteil 5a ist zum elektronischen Leistungsmodul 2 ausgerichtet. Eine erste Gehäuseseite 9 des ersten Gehäuseteils 5a ist mittels einer Sinterverbindung 10 mit der Unterseite 3 des elektronischen Leistungsmoduls 2 verbunden. Die Unterseite 3 des elektronischen Leistungsmoduls umfasst eine Metallplatte bzw. ist insbesondere als Metallplatte, wie z.B. eine Kupferplatte, ausgebildet.

Das Kühlermodul 4 ist als Lötkühler ausgebildet. Zur Ausbildung der Sinterverbindung 10 kann das Gehäuseinnere 11 mit einem oder mehreren Glykolen gefüllt werden, so dass der erste Gehäuseteil 5a gegen das elektronische Leistungsmodul 2 abgestützt wird und auch die Kühlmittelströmungsstruktur 6 stabilisiert wird, so dass es durch den beim Sintervorgang aufgebrachten Druck zu keinerlei Deformation im Bauteil und weiteren Schäden kommt. Die Sinterverbindung 10 kann durch Aufbringen und Sintern einer Sinterpaste erhalten werden.