DE102008005748A1

DE102008005748A1 - Leistungselektronikmodul

Info

Publication number: DE102008005748A1
Application number: DE102008005748A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Franke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Leistungselektronikmodul mit einem Kühlkörper (KK), der eine Vielzahl von Kühlkanälen für ein Kühlmedium aufweist, mit jeweils zumindest einer Keramikschicht auf der Unterseite und der Oberseite des Kühlkörpers (KK), mit jeweils zumindest einer Leiterbahn auf den Keramikschichten und mit jeweils zumindest einem elektronischen Bauelement (BE) auf den Leiterbahnen, wobei der Kühlkörper (KK) mit den Keramikschichten, basierend auf einem DCB-Verfahren, verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul.
Elektronikkomponenten werden zunehmend im Automobilbau eingesetzt, um den Steuerungskomfort zu erhöhen. Die in diesen Komponenten anfallenden Wärme-Verluste werden über verschiedene Hilfsmittel zur Wärmeableitung an den Fahrzeugkühlkreislauf bzw. an die Umgebung abgegeben. Für die Kühlung von Leistungselektronik werden dabei mit Elektronikmodulen verschraubte Kühlkörper wie auch direkt auf den Kühlkörpern aufgebaute Elektronikschaltungen, welche durch die geringere Anzahl von Wärmeübergängen eine bessere Performance aufweisen, eingesetzt. Besonders vorteilhaft sind dabei Kühlkörper aus Kupfer, bei welchen bereits eine isolierende Keramik metallurgisch mit der Kühlstruktur verbunden ist, auf welcher wiederum die Elektronikbauteile oder die elektronischen Bauelemente mit einem Löt- oder Sinterverfahren aufgebracht und durch Kontakte miteinander verbunden werden.
Der bekannte Stand der Technik weist den Nachteil auf, dass die Oberfläche des Kühlkörpers nicht optimal für den Wärmeeintrag ausgenutzt wird. Dies fällt insbesondere bei den Kühlkörpern mit integrierter Keramik ins Gewicht, welche aus Gründen der thermomechanischen Festigkeit bereits auf der Unterseite mit einer Keramik ausgestattet sind: Diese Keramik wird bislang nicht für die Verschaltung von Leistungselektronik genutzt, auch weil bei bisherigen Kühleinrichtungen die Unterseite für die Zuführung des Kühlmediums vorgesehen ist. Der bekannte Stand der Technik (Durchlauflötverfahren für aufgelegte Elektronikkomponenten) lässt außerdem nur die Assemblierung einer Seite zu, da beim Wiederaufschmelzen für eine eventuelle Rückseitenbestückung die Qualität der Verbindung auf der Vorderseite beeinträchtigt werden würde.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Leistungselektronikmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein bevorzugtes Leistungselektronikmodul umfasst einen Kühlkörper, der einen oder eine Vielzahl von Kühlkanälen für ein Kühlmedium aufweist. Auf der Unterseite und der Oberseite des Kühlkörpers befindet sich jeweils zumindest eine Keramikschicht, auf denen jeweils zumindest eine Leiterbahn angeordnet ist. Auf den Leiterbahnen befindet sich jeweils zumindest ein elektronisches Bauelement. Der Kühlkörper ist mit den Keramikschichten basierend auf einem an sich bekannten DCB-Verfahren (Direct Copper Bonded oder Direct Bonded Copper) miteinander verbunden.
Dadurch wird ein Kühlkörper auf zwei Seiten mechanisch und thermisch fest mit einer Keramikschicht verbunden. Diese zweiseitige Keramikbeschichtung ermöglicht eine – und wird genutzt für eine – zweiseitige und damit effiziente Bestückung des Kühlkörpers mit elektronischen Bauelementen und eine gute Wärmeableitung von diesen Bauelementen auf den Kühlkörper.
Ein Kühlmedium wird vorteilhafterweise an der Vorder- und/oder Rückseite des Kühlkörpers zu- und/oder abgeführt.
Vorzugsweise ist, insbesondere jeweils an der Oberseite und an der Unterseite, zumindest eine Keramikschicht mit einer Leiterbahn basierend auf einem DCB-Verfahren miteinander verbunden.
Dadurch wird eine starke mechanische und thermische Anbindung einer Leiterbahn an eine Keramikschicht und damit an den Kühlkörper erreicht.
Besonders bevorzugt ist, insbesondere jeweils an der Oberseite und an der Unterseite, zumindest eine Leiterbahn mit zumindest einem elektronischen Bauelement basierend auf einem an sich bekannten NTV-Verfahren (Niedertemperatur-Verbindungstechnik) miteinander verbunden. Diese Bestückung bzw. Assemblierung des Kühlkörpers samt Keramikschichten und Leiterbahnen mit elektronischen Bauelementen erfolgt vorzugsweise auf der Oberseite und der Unterseite in ein und demselben Fertigungsschritt (kann gegebenenfalls mehrere DCB-Schritte umfassen).
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikmoduls, insbesondere nach einer der erläuterten Varianten, sieht vor, dass ein Kühlkörper, der einen oder eine Vielzahl von Kühlkanälen für ein Kühlmedium aufweist, basierend auf einem DCB-Verfahren, insbesondere gleichzeitig oder innerhalb eines Fertigungsschrittes, auf der Unterseite und der Oberseite des Kühlkörpers jeweils mit zumindest einer Keramikschicht verbunden wird. Vorzugsweise ebenfalls gleichzeitig oder innerhalb eines gleichen oder des genannten Fertigungsschrittes werden die Keramikschichten, insbesondere an der Unterseite und der Oberseite, des Kühlkörpers basierend auf einem DCB-Verfahren jeweils mit zumindest einer Leiterbahn verbunden.
Vorzugsweise werden, insbesondere jeweils an der Oberseite und an der Unterseite gleichzeitig oder innerhalb des gleichen Fertigungsschrittes, zumindest eine Leiterbahn mit zumindest einem elektronischen Bauelement basierend auf einem NTV-Verfahren miteinander verbunden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkörper basierend auf einem DCB-Verfahren aus verschiedenen Kupferplatten erzeugt wird, wobei die Verbindung der Kupferplatten untereinander und vorzugsweise zudem die Verbindung der Kupferplatten bzw. des daraus gebildeten Kühlkörpers mit den Keramikschichten, insbesondere gleichzeitig, im Rahmen desselben Fertigungsschrittes erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgende Figur näher erläutert:
1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Leistungselektronikmoduls während des Fügeprozesses.
1 zeigt ein Leistungselektronikmodul mit einem Kühlkörper KK, auf dessen Unterseite und Oberseite jeweils zumindest ein Schaltungsträger ST, umfassend eine Keramikschicht und eine Leiterbahn, angeordnet ist. Auf den Schaltungsträgern ST sind jeweils mehrere elektronische Bauelemente BE angeordnet. Außerdem sind obere Verbindungen OV zwischen den Bauelementen BE und obere Verbindungen zwischen den Bauelementen BE und dem Schaltungsträger ST dargestellt. Zudem sind die während der Fertigung des Leistungselektronikmoduls zum Tragen und Halten der elektronischen Bauelemente BE vorgesehenen Matrizen M dargestellt.
Die Verbindung zwischen dem Kühlkörper KK, der beispielsweise aus einer Vielzahl von Kupferplatten besteht, mit den Keramikschichten der Schaltungsträger wird durch ein an sich bekanntes DCB-Verfahren bewirkt. Auch die Verbindung zwischen den Keramikschichten und den Leiterbahnen wird durch ein an sich bekanntes DCB-Verfahren bewirkt.
Die Assemblierung oder Bestückung (untere Verbindung) der Ober- sowie Unterseite des Kühlkörpers samt Schaltungsträgern mit elektronischen Bauelelementen wird vorzugsweise in einem Fertigungsschritt vorgenommen. Dazu eignet sich die an sich bekannte Niedertemperaturverbindungstechnik (NTV), bei welcher die Fügeebene der miteinander zu verbindenden Körper einem definierten Druck bei einer definierten Temperatur ausgesetzt und mittels eines dazwischen aufgetragenen Materials gesintert wird. Mit diesem Verfahrensprinzip ist die gleichzeitige Fügung einer Vielzahl übereinanderliegender Ebenen möglich.
Um die Ober- sowie Unterseite des Kühlkörpers samt Schaltungsträgern gleichzeitig zu bestücken, werden die mit dem Kühlkörper zu verbindenden Bauteile in als Druckplatten ausgestaltete Matrizen aufgenommen. In den Matrizen sind Kanäle vorgesehen, die die Ansaugung der Bauteile in den Matrizen und dadurch die Fixierung der Bauteile in ihrer Position ermöglichen. Die Position der Bauteile innerhalb der Matrizen ist auf das Layout des Schaltungsträgers abgestimmt. Durch die Fixierung der Bauteile innerhalb der Matrizen ist gewährleistet, dass die bestückten Matrizen gleichzeitig gegenüber der Ober- bzw. Unterseite des Kühlkörpers positioniert, der Druck auf den Fügeflächen (z. B. mittels einer von außen wirkenden Presse) aufgebracht und die durch die Matrizen gehaltenen Bauteile gleichzeitig mit dem vorzugsweise als Schaltungsträger strukturierten Kühlkörper verbunden werden können. Durch die Fixierung der Bauteile mittels ansaugender Matrizen kann ein Kühlkörper auch von unten bestückt werden. Die bei bekannten Verfahren zwangsläufige Assemblierung von oben ist nicht mehr erforderlich. Durch die Fixierung der Bauteile mittels ansaugender Matrizen kann ein Kühlkörper auch in vertikaler Ausrichtung bestückt werden. Die Oberseite ist in diesem Fall die Vorderseite und die Unterseite die Rückseite. Obwohl die Verwendung des NTV-Fügeprozesses besonders vorteilhaft ist, können die elektronischen Bauelemente auch mittels eines anderen Verfahrens, beispielsweise eines Pastenlötverfahrens, mit der Schaltungsträgerschicht des Kühlkörpers verbunden werden.
In einem nachfolgenden Schritt können nach dem gleichen Prinzip die oberen Verbindungen zwischen den Bauelementen und die oberen Verbindungen zwischen den Bauelementen und dem Schaltungsträger hergestellt werden. Alternativ dazu ist es möglich, diese Verbindungen mit einem klassischen Verfahren (Draht bzw. Dickdrahtbonden) herzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die Assemblierung (untere Verbindung der Bauelemente mit dem Schaltungsträger des Kühlkörpers) und die oberen Verbindungen zwischen den Bauelementen und die oberen Verbindungen zwischen den Bauelementen und dem Schaltungsträger innerhalb desselben oder derselben Fertigungsschritte herzustellen. Dazu sind die Matrizen so ausgeführt, dass die Verbindungselemente als auch das zu sinternde Material vor den Bauteilen in die entsprechend angepassten Matrizen eingelegt werden. Die Anpassung der Matrizen berücksichtigt dabei die entstehenden Höhenunterschiede mit federnden Elementen, welche die Erzeugung eines gleichmäßigen mechanischen Drucks über allen zu sinternden Fügestellen gewährleisten.
Der für den Fügeprozess notwendige Wärmeeintrag in das Werkstück kann sowohl durch Aufheizen des gesamten Fertigungsraumes als auch durch beheizte Matrizen erfolgen. Im Falle ausreichend wärmeleitender Kühlkörper und/oder Schaltungsträger können auch diese zum Wärmeeintrag benutzt werden. Im Falle eines Kühlkörpers mit einer Struktur für die Wärmeübergabe an ein Fluid kann dieser beispielsweise mit einem durchströmenden Fluid (vorzugsweise getrocknetes innertes Gas) aufgeheizt werden. Bei Leistungselektronikmodulen mit einem durchgängigen von außen kontaktierbaren metallischen Kern (z. B. in Form des enthaltenen Kühlkörpers) ist alternativ oder ergänzend die Ausnutzung der elektrischen Verlusteigenschaften für die Aufheizung möglich. Dieses Verfahren bietet sich insbesondere an, wenn zur Steigerung der Prozesszuverlässigkeit der Fügeprozess im Vakuum stattfinden soll.
Durch die Erfindung wird das für die Kühlung zur Verfügung stehende Volumen und Material eines Leistungselektronikmoduls um den Faktor Zwei bes ser ausgenutzt als bei bekannten Techniken. In Verbindung mit dem vorgeschlagenen Fertigungsverfahren ergeben sich überdies ein gegenüber herkömmlichen Verfahren stark verkürzter Fertigungsablauf, geringere Fertigungszeiten und geringere Handhabungskosten. Durch die Verwendung eines für unterschiedliche Werkstoffgrundlagen geeigneten Fügeverfahrens werden neue konstruktive Freiheitsgrade eröffnet, und der Ersatz von technologiegebundenen durch funktionsgerechte Werkstoffe ermöglicht.

Claims

Leistungselektronikmodul – mit einem Kühlkörper (KK), der einen oder eine Vielzahl von Kühlkanälen für ein Kühlmedium aufweist, – mit jeweils zumindest einer Keramikschicht auf der Unterseite und der Oberseite des Kühlkörpers (KK), – mit jeweils zumindest einer Leiterbahn auf den Keramikschichten und – mit jeweils zumindest einem elektronischen Bauelement (BE) auf den Leiterbahnen, – wobei der Kühlkörper (KK) mit den Keramikschichten basierend auf einem DCB-Verfahren verbunden ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 1, bei dem, insbesondere an der Oberseite und an der Unterseite, zumindest eine Keramikschicht mit einer Leiterbahn basierend auf einem DCB-Verfahren miteinander verbunden ist.
Leistungselektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem, insbesondere an der Oberseite und an der Unterseite, zumindest eine Leiterbahn mit zumindest einem elektronischen Bauelement basierend auf einem NTV-Verfahren miteinander verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikmoduls, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, – bei dem ein Kühlkörper (KK), der einen oder eine Vielzahl von Kühlkanälen für ein Kühlmedium aufweist, basierend auf einem DCB-Verfahren auf der Unterseite und der Oberseite des Kühlkörpers (KK) jeweils mit zumindest einer Keramikschicht verbunden wird, und – bei dem die Keramikschichten, insbesondere an der Unterseite und der Oberseite, des Kühlkörpers basierend auf einem DCB-Verfahren jeweils mit zumindest einer Leiterbahn verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem, insbesondere jeweils an der Oberseite und an der Unterseite, zumindest eine Leiterbahn mit zumindest einem elektronischen Bauelement basierend auf einem NTV-Verfahren miteinander verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Kühlkörper (KK) basierend auf einem DCB-Verfahren aus verschiedenen Kupferplatten erzeugt wird, wobei die Verbindung der Kupferplatten und die Verbindung des Kühlkörpers mit den Keramikschichten, insbesondere gleichzeitig, im Rahmen der gleichen DCB-Prozessschritte erfolgt.