DE102004002743A1 - Kühlkörper für Leistungselektronik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Leistungselektroniken, der mit einer speziellen elektrisch gut isolierenden Oberflächenbeschichtung beschichtet ist, die gleichzeitig in der Lage ist, die Wärmeenergie von vorzugsweise Leistungskomponenten wirkungsvoll abzuleiten. Die Komponenten werden wirkungsvoll durch die Beschichtung zueinander bzw. zum Kühlkörper elektrisch isoliert. Sie können wirtschaftlich mittels üblichen Verbindungsverfahren (z. B. Kleben oder durch Leitpaste) verbunden werden. Der thermische Wirkungsgrad ist höher als bei vergleichbaren Aufbautechniken, die Stand der Technik sind. Der Kühlkörper ist Hauptbestandteil der Aufbau- und Verbindungstechnik insbesondere für den automotiven Bereich, aber auch für sonstige Bereich der Elektrontechnik und Mechatronik.

Description

• Technisches Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, der mit einer speziellen elektrisch gut isolierenden Oberflächenbeschichtung beschichtet ist, die gleichzeitig in der Lage ist, die Wärmeenergie von vorzugsweise Leistungskomponenten wirkungsvoll abzuleiten. Der Kühlkörper ist Hauptbestandteil der Aufbau- und Verbindungstechnik insbesondere für den Automotive Bereich, aber auch für sonstige Bereiche der Elektrotechnik und Mechatronik.
• Ein immer höher werdendes Angebot an elektrischen Komponenten mit hohen elektrischen Leistungen erfordert ein Höchstmaß an Kühlleistung, um die entstehenden Verlustleistungen der Komponenten, die in Wärmeenergie umgewandelt werden, gezielt abzuführen. Sind die zunehmenden thermischen Anforderungen im gesamten Bereich der Elektrotechnik und Mechatronik angesiedelt, soll insbesondere der Bereich der Leistungselektronik im Automotive Sektor genauer angeführt werden. Dieser unterscheidet sich gerade heute durch einen fest entschlossenen Kurs in Richtung 42 Volt Systeme (700 A Spitzenströme!) und am Beispiel eines Mild-Hybrid Systems von sogar 360 V Systemen im Fahrzeug.
• Diese Systeme werden durch Hochleistungsmodule elektrisch geregelt, wobei die Wärme durch meist flüssig-gekühlte Kühlkörper abgeführt wird. Oftmals werden hierzu aus Kostengründen ungehäuste Komponenten verwendet, die elektrisch direkt mittels Stromleitschienen auf den Kühlkörper aufgebracht werden. Damit die Bauteile nicht alle auf dem selben Potential liegen, müssen diese elektrisch gegen den Kühlkörper (und somit gegeneinander) isoliert werden. Meist sind die Merkmale dieser Isolation, dass je höher die elektrische Isolierung ist, desto schlechter ist dessen Wärmeleitung. Somit sind die geforderten Eigenschaften meist gegenläufig.
• Der Stand der Technik erlaubt nun eine Vielzahl an möglichen Varianten:
  Die häufigst anzutreffende Variante ist die Verwendung von DBC (Direct Bonded Copper), deren Isolationswirkung auf eine verwendete Keramikplatte (meist Al₂O₃) beruht, die zwischen 2 Kupferplättchen eingebracht wird.
• Ähnlich dieser Anwendung werden gedruckte Hybridschaltungen (meist Silber bzw. Silber-Palladium Dickdruckschaltungen auf Keramiksubstraten) eingesetzt.
• Eine weitere Alternative ist die Verwendung von Wärmeleitklebern mit elektrisch isolierendem Füllstoff (z. B. Glaskugeln), der auf die Kühlkörper aufgedruckt, gestempelt, dispenst oder gerakelt wird.
• Für geringe Durchschlagspannungs-Isolierungen werden Al-Kühlkörper mittels Eloxal-Verfahren mit einer dünnen isolierenden Al₂O₃-Schicht hergestellt (nicht im Automotive-Sektor aber in vielen anderen Anwendungen der Elektrotechnik).
• Kritik des Standes der Technik
• Hat sich von allen oben genannten Verbindungstechnologien die DBC-Technologie am häufigsten etabliert, so sind ihr mit steigendem Leistungspotential schon jetzt Grenzen gesetzt: Stand der Technik bei DBCs sind ca. 0,3 mm dicke Kupferplättchen, deren elektrische Leitung durch ihre geringe Dicke limitiert ist. Insbesondere bei 42 Volt Systemen mit hohen Strömen (700 A) erzeugen die Kupfer-Leiter selbst hohe Verlustleistungen, die ebenfalls in Form von Wärme abzuführen sind. Folge können insbesondere in Verbindung mit Thermowechselbelastungen Mikrorisse in der Keramiklage sein, die zu einer frühzeitigen Alterung des Systems führen können und somit ein Zuverlässigkeitsproblem darstellen können. Diese Erscheinung kann auch bei Verwendung von Aluminium-Nitrid auftreten – wobei hier sicherlich die Kosten dieser Keramik in Plattenausführung als Nachteil aufzuführen sind.
• Nachteil der Hybridtechnologie ist hier speziell die Limitierung der Schichtdicken und somit der Strom-Tragfähigkeit. Diese scheidet somit für derart hohe Leistungen insbesondere bei 42 Volt Systemen aus (allenfalls als Unterkomponente).
• Der Nachteil von Wärmeleitklebern beruht auf deren geringe Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/mK. Sollten z.B. Hybridsysteme mit 360 Volt elektrisch isoliert werden, so müßte die Klebschichtdicke ca. 0,8 – 1 mm dick werden. Stand der Technik von Klebschichtdicken sind ca. 50 bis 200 μm, somit wäre mit dem linearen Anstieg des k-Wertes eine nicht tragbare Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit gegeben. Für diese Systeme scheidet die Klebevariante aus heutiger sicht aus. Klebstoffe mit höherer thermischer Leitfähigkeit sind meist mit metallischen Füllstoffen (z.B. Silberleitklebstoffe) gefüllt und können wegen einer Kurzschlußbildung folglich nicht verwendet werden.
• Weiterer Nachteil bisher kritisierter Verfahren ist „schleichender Aluminium-Fraß" in Kombination mit Salznebeltests und anderen Chemikalientests. Hierbei wirken sich Beschichtungen meist vorteilhaft aus.
• Kühlkörper, die mittels Eloxal-Verfahren elektrisch isoliert werden, haben diese Korrosionserscheinungen zwar nicht, sind jedoch Meilen entfernt von den Isolationsanforderungen bei Leistungsmodulen. Hier werden 1000 V und mehr bei einer hohen Zuverlässigkeit gefordert. Die geringen Schichtdicken und vor allem die Kratzempfindlichkeit solcher Beschichtungen sind leider ungeeignet und scheiden dadurch ebenfalls aus.
• Aufgabe
• Die Aufgabe ergibt sich aus dem Stand der Technik und deren erörterten Nachteile. Wie kann man wirtschaftlich insbesondere Leistungsmodule aufbauen, die mittels elektrisch isoliertem Kühlkörper (insbesondere hohe Spannungsisolation) den Leistungskomponenten optimal Wärme entzieht und abführt.
• Lösung der Aufgabe
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kühlkörper mit einer hinreichend dicken elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Beschichtung (vorzugsweise Hartstoffbeschichtungen und keramische Systeme) hergestellt wird auf die insbesondere Leadframes (Stromschienen) mit insbesondere ungehäusten Leistungskomponenten aufgebaut werden können.
• Beschreibung der Erfindung
• Als Kühlkörpermaterial wird vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder Gemische (z.B. AlSiC) bzw. Kupfer oder Kupferlegierungen verwendet. Die Formgebung des Kühlkörpers geschieht vorzugsweise durch Gießverfahren oder Strangpressverfahren. Die Form ist vorzugsweise mit einer planen Oberfläche versehen, die für die Beschichtung ist. Das Beschichtungsmaterial ist ein elektrisch isolierendes und thermisch gut leitendes Material, vorzugsweise eine Keramikschicht (insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid).
• Die Beschichtung wird vorzugsweise durch Thermische Spritzverfahren oder CVD bzw. PVD Prozesse aufgetragen. Die Beschichtung kann als Monolayer oder aber auch als Mehrfachlayer ausgeführt sein. Die Schichtdicke richtet sich nach der geforderten Durschlagsspannungs-Festigkeit (vorzugsweise Schichtdicken für Spannungsfestigkeiten von über 1000 Volt – somit je nach Schichtsystem vorzugsweise mindestens 100 μm).
• Vorzugsweise wird auf diesem Kühlkörper Leitermaterial (bevorzugt insbesondere dicke Kupfer-Schienen) aufgebaut z.B. (vorzugsweise durch Kleben mittels z.B. metall-gefüllten Klebstoff, Klemmen mit oder ohne Wärmeleitpaste, Schrauben, Löten – wobei fürs Löten eine Zwischenmetallisierung erforderlich sein kann). Das Leitermaterial ist in jedem Falle nicht durch weitere insbesondere maskierte Beschichtungen und daraus resultierenden Leitebahnen zu realisieren, da die Strom-Tragfähigkeit zu gering wäre. Dieses Leitermaterial (bevorzugt dicke Stromschienen) ist vorzugsweise mit Leistungselektronik (z.B. FETs) bestückt (vorzugsweise gelötet). Es können jedoch auch direkt auf der Kühlkörperbeschichtung elektronische Komponenten aufgebaut werden.
• Erreichte Vorteile
• Wirtschaftliche Herstellung von Kühlkörpern mit hoher elektrischer Isolierung bei gleichzeitiger hohen thermischen Leitfähigkeit. Thermischer Wirkungsgrad ist höher als bei herkömmlichen Aufbautechnologien, die zum Stand der Technik gehören. Hohe Zuverlässigkeit durch Kratzfestigkeit der vorzugsweise Hartstoff- oder Keramikbeschichtung. Kühlkörper ist besonders geeignet für den Aufbau von Leistungselektroniken. Zum weiteren Verbinden insbesondere von Stromschienen kann elektrisch leitendes Material verwendet werden, welches den Vorteil guter thermischer Leitfähigkeit in sich birgt. Darüber hinaus ist die Funktionsfläche (Oberseite) des Kühlkörpers korrosionsbeständig auch gegenüber Salznebeltests und anderen Chemikalien.
• Herstellung der Erfindung
• Die Kühlkörper können aus beliebigen, bekannten Herstellungsverfahren und mittels üblichen Materialien (bevorzugt Al, Cu, AlSiC, ...) hergestellt werden.
• Die Herstellung der Kühlkörperbeschichtung kann wie bereits erwähnt bevorzugt durch Thermische Spritzverfahren, CVD- und PVD- Verfahren hergestellt werden.
• Die weitere Aufbau- und Verbindungstechnik kann durch vorzugsweise Kleben mittels z.B. metall-gefüllten Klebstoff, Klemmen mit Wärmeleitpaste/Folie, Schrauben, oder partiellem Metallisieren mit anschließendem Löten hergestellt werden.
• Ausführungsbeispiel der Erfindung
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand beigefügter Zeichnung (s. 1) näher erläutert.
• Ein Kühlkörper (1), bevorzugt verrippt mit elektrisch isolierender, thermisch gut leitender Beschichtung (2), bevorzugt als Hartstoffsystem bzw. aus Keramik. Auf diese Beschichtung kann Verbindungskomponente (3) aufgebaut werden, vorzugsweise thermisch gut leitendes Material (z.B. Klebstoff mit Metallpartikelfüllung), der vorzugsweise Leiterschienen (4) (z.B. Kupferleitschiene bzw. Leadframe) aufnimmt. Leistungskomponente (5) (z.B. FET) kann mit (4) verbunden werden, vorzugsweise durch Löten oder Leitkleben.
• Der Aufbau gewährleistet eine Kühlung der beiden Komponenten (5).
• Die beiden Komponenten (5) und die beiden Komponenten (4) können insbesondere auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen, da die Schicht (2) die beiden von einander isoliert – gleichzeitig kann der Kühlkörper insbesondere auf Masse liegen.

Claims (4)

1. Kühlkörper für Leistungselektronik, dadurch gekennzeichnet, dass dicke Hartstoff- bzw. Keramikbeschichtung (2) mit hoher elektrischen Isolationswirkung und hoher thermischer Leitfähigkeit mittels Thermischen Spritzverfahren oder CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht wird.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass auf der Hartstoff- bzw. Keramikbeschichtung (2), Verbindungselement (3) aufgetragen wird, in Form von Klebstoff oder Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie oder Lot mit oder ohne partieller Zwischenmetallisierung oder vergleichbaren Verbindungselementen.
3. Kühlkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass mittels Verbindungselement (3) ein Elemente (4) verbunden wird. Elemente (4) sind Leiterschienen oder Leadframes oder Heatspreader oder elektrische Komponenten durch die Strom fließt und die entweder zueinander oder zum Kühlkörper elektrisch isoliert werden und Wärme an den Kühlkörper abgeben.
4. Kühlkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass auf Element (4) weitere Aufbauten von Elementen (5) stattfinden. Elemente (5) sind elektrische, gehäuste oder ungehäuste Komponenten mit oder ohne Heatspreader. Das Verbinden der Elemente (5) kann mittels Lot, Klebstoff, (Reib)-schweißverfahren oder vergleichbaren Verfahren stattfinden.