DE102019111366B3

DE102019111366B3 - Kompaktes Leistungselektronik-Modul mit vergrößerter Kühlfläche

Info

Publication number: DE102019111366B3
Application number: DE102019111366.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Behrendt; Ronald Eisele
Original assignee: Fachhochschule Kiel
Current assignee: Semikron Danfoss GmbH
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2020-05-14
Anticipated expiration: 2039-05-03
Also published as: CN113748503B; WO2020221862A1; US12136585B2; CN113748503A; US20220293489A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5, 10, 11) sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers (5, 10, 11) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (20, 30) und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers (5, 10, 11) thermisch kontaktierten Kühlkörper (40), wobei das Modul wenigstens eine zweite Baugruppe (20, 30) angeordnet auf der Oberseite eines zweiten Schaltungsträgers (5, 10, 11) und einen zweiten Kühlkörper (40) angeordnet auf der Unterseite des zweiten Schaltungsträger (5, 10, 11) umfasst, wobei die Schaltungsträger (5, 10, 11) mit einander zugewandten Oberseiten fixiert angeordnet sind und wenigstens eine von den Baugruppen (20, 30) elektrisch isolierte zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) im Raum zwischen den Baugruppen (20, 30) angeordnet ist, wobei die Baugruppen (20, 30) und die wenigstens eine zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) in einer wärmeleitenden Vergussmasse (50) eingebettet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers thermisch kontaktierten Kühlkörper.
Baugruppen der Leistungselektronik umfassen eine zur elektrischen Verschaltung vorstrukturierte Platine bestückt mit auf hohe Ströme ausgelegten Bauelementen. Die Baugruppe verkörpert die im Betrieb stromdurchflossenen Bestandteile eines Leistungselektronik-Moduls. Sie stellt somit eine Wärmequelle infolge der ohmschen Verlustleistung dar.
Andere Bestandteile des Moduls dienen u. a. zum Abtransport der generierten Wärme über eine Kontaktfläche zu einer Wärmesenke, wobei die primäre Wärmesenke üblich ein luft- oder wassergekühlter Kühlkörper ist. Bei hohen Strömen und zugleich ungenügender Kühlung droht die Zerstörung der Baugruppe.
Gängige Schaltungsträger sind z.B. Kupfer-Stanzgitter oder organisch oder keramisch isolierte Leiterplatten, die eine Leiterbahnenstruktur aufweisen. Die Bauelemente sind durch gepresste oder stofflich verbundene Kontaktelemente, beispielsweise Bonddrähte oder Bändchen, elektrisch mit den Leiterbahnen des Schaltungsträgers verbunden. Schaltungsträger sind entweder selbst wärmespreizend ausgelegt, beispielsweise durch eine ggf. dicke metallische Schicht auf der Unterseite, die durch eine dielektrische Beschichtung von den stromführenden Leitern der Oberseite elektrisch isoliert ist, oder sie sind keramisch ausgebildet mit auf der Oberseite angeordneten, typisch dünnen Leiterbahnen und werden auf einer separaten metallischen Wärmespreizplatte montiert.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung erfolgt Wärmespreizung immer an der Unterseite des Schaltungsträgers, d.h. der Schaltungsträger kann eine zusätzlich montierte Wärmespreizplatte aufweisen oder auch selbst wärmespreizend wirken. Die Unterseite des Schaltungsträgers steht kraft- und formschlüssig in thermischem Kontakt zu einer primären Wärmesenke. Auf der Oberseite des Schaltungsträgers wird demgegenüber die Wärme durch ohmsche Verluste in der Baugruppe erzeugt.
Die Baugruppe ist gängig in einem elektrischen Isolationsmaterial wie etwa Silikongel oder einem elektrisch isolierenden Epoxidharz eingebettet - oder auch: vergossen -, wobei das Isolationsmaterial oftmals eine ebenso hochwertige thermische Isolation aufweist. Nur die externen Anschlusskontakte eines Leistungselektronik-Moduls verbleiben frei liegend.
Der Abtransport der Wärme von der Baugruppe zum Kühlkörper findet auf zwei Zeitskalen statt: Impulsleistungen (< 1 Sekunde) und Dauerleistungen (>> 1 Sekunde). Impulsleistungen sind zu kurz, um unmittelbar die Wärmesenke zu erreichen und müssen temporär in der thermischen Masse des Isolationsmaterials in der Nähe der Baugruppe aufgenommen werden. Dauerleistungen hingegen führen zu einem stetigen Wärmestrom der Verlustleistung durch alle thermisch leitfähigen Materialien zur Wärmesenke entlang des thermischen Gradienten.
Zur Verbesserung der Kühlung wurden bereits gut wärmeleitende und zugleich elektrisch isolierende Vergussmassen als Isolationsmaterialien vorgeschlagen, beispielsweise in der DE 1 514 413 A1 ein anorganischer Zement. Die Druckschrift EP 3 066 684 B1 nutzt ebenfalls einen wärmeleitenden Zement, um auf dessen Oberfläche, die oberhalb einer Baugruppe auf der Bestückungsseite der Wärmespreizplatte liegt, einen zweiten Kühlkörper in thermischem Kontakt anzuordnen (vgl. insbes. 3 und 4 der EP 3 066 684 B1 ).
Der thermisch leitende Zement ist durchaus gut geeignet, Impulsleistungen aufzunehmen. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt jedoch in einem Bereich zwischen 1 und 20 W/(m*K) und damit ein bis zwei Größenordnungen unter dem Wärmeleitwert eines gängigen Kühlkörpers. Im Dauerbetrieb erfolgt das Aufheizen des Leistungsmoduls der EP 3 066 684 B1 trotz der zweiseitigen Kühlung der Baugruppe sehr asymmetrisch, weil das Gros der erzeugten Wärme vorrangig an den Kühlkörper auf der Unterseite der Wärmespreizplatte abgegeben werden kann. Der zweite Kühlkörper auf der Oberfläche der Vergussmasse arbeitet also bei Weitem nicht effektiv.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Leistungselektronik-Modul mit verbesserter Kühlung durch eine vergrößerte Kühlfläche vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein kompaktes Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers thermisch kontaktierten Kühlkörper, wobei das Modul wenigstens eine zweite Baugruppe angeordnet auf der Oberseite eines zweiten Schaltungsträgers und einen zweiten Kühlkörper angeordnet auf der Unterseite des zweiten Schaltungsträger aufweist, wobei die Schaltungsträger mit einander zugewandten Oberseiten fixiert angeordnet sind und wenigstens eine von den Baugruppen elektrisch isolierte zentrale Wärmesenke im Raum zwischen den Baugruppen angeordnet ist, wobei die Baugruppen und die wenigstens eine zentrale Wärmesenke in einer wärmeleitenden Vergussmasse eingebettet sind.
Der Unteranspruch gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung an.
Die Grundidee der Erfindung kann darin gesehen werden, die heute üblich herstellbaren Leistungselektronik-Module - zunächst ohne Vergussmasse - herzunehmen und eine Mehrzahl davon mit den die Baugruppen - also die Wärmequellen - tragenden Flachseiten aufeinander zu gerichtet so fixiert anzuordnen, dass diese einen Raum zwischen den Baugruppen ausbilden. Dieser Raum wird somit durch ohmsche Verlustleistung der Baugruppen besonders intensiv und von mehreren Seiten aus erwärmt. Zur Kühlung wird daher erfindungsgemäß eine zusätzliche zentrale Wärmesenke innerhalb des Raumes angeordnet, beispielsweise ein metallischer Wärmeableiter oder ein Rohr, das von Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Dabei kann die zentrale Wärmesenke auch eine Mehrzahl von Wärmeableitern umfassen, insbesondere auch eine Kombination aus verschiedenen Wärmeableitern, etwa aus Festkörpern und fluiddurchströmten Rohren. Die Wärmeableiter können untereinander verbunden sein, so dass die zentrale Wärmesenke als ein Objekt, beispielsweise ein Gitter oder ein Röhren-Array, ausgestaltet ist. Die zentrale Wärmesenke wird im Raum zwischen den Baugruppen dadurch fixiert und dauerhaft gehalten, dass der Raum mit einer wärmeleitenden Vergussmasse, z.B. einem anorganischen Zement, aufgefüllt ist, der die Baugruppen und die zentrale Wärmesenke in einem einzelnen Vergussvolumen gemeinsam einbettet.
Das erfindungsgemäße kompakte Leistungselektronik-Modul wird grundsätzlich an seinen Außenseiten durch Kühlkörper gekühlt, die im Zuge der herkömmlichen Fertigung an den Unterseiten der Schaltungsträger thermisch kontaktiert sind. Zusätzlich existiert eine innerhalb des Moduls angeordnete Kühlung durch eine zentrale Wärmesenke, die von den Baugruppen mindestens durch die Vergussmasse elektrisch isoliert und in festen Abständen gehalten wird.
Das erfindungsgemäße Modul kann dadurch erheblich von der flachen, nahezu zweidimensionalen Bauform bislang üblicher Leistungsmodule abweichen, wie die folgenden Figuren zeigen:

1 a): Zwei Leistungseinzelschalter in paralleler Symmetrie mit aktiver Flüssigkühlung im Inneren als zentraler Wärmesenke;
1 b): Zwei Leistungseinzelschalter in paralleler Symmetrie mit passiver Innenkühlung durch eine plane Wärmeleitplatte als zentraler Wärmesenke;
2 a): Drei Leistungsschalter (hier Halbbrücken) in Dreiecks-Symmetrie mit innerem Wärmeleitrohr (rund) als zentraler Wärmesenke;
2 b): Drei Leistungsschalter (hier Halbbrücken) in Dreiecks-Symmetrie mit innerem Wärmeleitrohr (dreieckig) als zentraler Wärmesenke.

Es folgen einige Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße kompakte Leistungsmodule.
In 1 a) ist eine der einfachsten Ausgestaltungen des kompakten Leistungselektronik-Moduls dargestellt. Sie wird aus zwei herkömmlichen Leistungsmodulen gebildet, deren Baugruppen tragende Seiten einander zugewandt gegenüberliegend fixiert angeordnet sind. Ein auf einer Wärmespreizplatte (5) montiertes keramisches Substrat (10) mit Leiterbahnelementen als Schaltungsträger (5, 10) mit darauf montierten Halbleitern-Bauelementen (20) kontaktiert mit Bonddrähten (30) bilden einen Einzelschalter (5, 10, 20, 30). Die Unterseite des Schaltungsträgers (5, 10) weist, in thermischem Kontakt montiert, einen Kühlkörper (40) auf. Eine zweite, gleichartige Anordnung ist parallel, aber hier optional um 180 Grad gedreht, der Ersten gegenüber liegend angeordnet. Der erforderliche Abstand zwischen beiden Baugruppen (20, 30) ergibt sich aus dem elektrischen Isolationsabstand, der zur Aufrechterhaltung der elektrischen Sicherheit erforderlich ist. Der Raum zwischen den Baugruppen (20, 30) ist mit elektrisch isolierender, vorzugsweise anorganischer Vergussmasse (50) mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle wärmeabgebenden Oberflächen der Baugruppen (20, 30) in stofflichem Kontakt mit der Vergussmasse (50) stehen. Eine zusätzliche Kühlerstruktur (60), z.B. flüssigkeitsdurchströmte Rohre oder geschlossene Wärmerohre („heatpipe“), bildet die zentrale Wärmesenke im Inneren der Vergussmasse (50). Die Wärmesenke (60) wird nach dem Aushärten der Vergussmasse (50) dauerhaft in ihrer Position gehalten und bleibt so auch stets potenzialfrei.
1 b) zeigt eine Variation von 1 a), bei der die Kühlkörper (40) bis über die Ränder der Wärmespreizplatten (5) hinaus ausgedehnt und jenseits dieser Ränder bis über die Maximalhöhe der Baugruppen (20, 30) erhöht ausgebildet sind. Anders gesagt haben die Kühlkörper (40) in diesem Ausführungsbeispiel eine trogartige Form, und die Baugruppen (20, 30) sind jeweils am Boden eines solchen Troges angeordnet. Setzt man die trogförmigen Kühlkörper (40) mit ihren erhöhten Rändern in thermischem Kontakt aufeinander, so ist der Innenraum mit den Baugruppen (20, 30) an vier Seiten von Wärmesenken (40) umgeben. 1 b) zeigt ferner eine sehr gut wärmeleitende Struktur in Form einer metallischen oder keramischen Wärmeleitbrücke (61), z.B. eine Platte aus Kupfer oder Aluminium oder Siliziumnitrid- oder Aluminiumnitrid-Keramik. Die Wärmeleitbrücke (61) bildet hier die zentrale Wärmesenke (60) des kompakten Leistungselektronik-Moduls anstelle der Wärmerohre aus 1 a). Die Wärmeleitbrücke (61) ist zwischen die beiden äußeren Kühlkörper (40) montiert und steht mit diesen an den Rändern der Kühlkörper (40) in thermischem Kontakt. Sie kann aus demselben Material wie die Kühlkörper (40), insbesondere aus einem Metall, gebildet sein. Der restliche, von den trogförmigen Kühlkörpern (40) umschlossene und nicht anderweitig belegte Innenraum ist, bevorzugt vollständig, mit wärmeleitender Vergussmasse (50) aufgefüllt.
Bevorzugt ist der Wärmeleitwert der Vergussmasse größer als 3 W/(m*K). Bekannte wärmeleitende Zemente erreichen Werte von mehr als 10 W/(m*K). Weiterhin bevorzugt ist der Wärmeleitwert des Materials der Wärmeleitbrücke (61) wenigstens 20-fach größer als der Wärmeleitwert der Vergussmasse.
In 2 a) ist ein kompaktes Leistungselektronik-Modul mit einem Dreiecks-Querschnitt dargestellt. Ein isolierter, selbst wärmespreizend ausgelegter Schaltungsträger (11) mit Leiterbahnelementen und darauf montierten Halbleitern (20) kontaktiert mit Bonddrähten (30) bilden hier eine Halbbrücke (11, 20, 30). Die Unterseite des Schaltungsträgers (11) weist, in thermischem Kontakt montiert, einen Kühlkörper (40) auf. Ein zweites und ein drittes gleichartiges Modul sind zusammen mit dem ersten in gleichschenklig dreieckiger Anordnung montiert. Der Abstand zwischen den drei Halbbrücken (11, 20, 30) ist auf diese Weise minimal. Der Raum zwischen den drei Baugruppen (20, 30) ist mit elektrisch isolierender, vorzugsweise anorganischer Vergussmasse (50) mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle wärmeabgebenden Oberflächen der Baugruppen (20, 30) in stofflichem Kontakt mit der Füllmasse stehen. Eine zusätzliche Kühlerstruktur (63), beispielsweise ein wärmeleitender Stab oder ein flüssigkeitsdurchströmtes Rohr oder ein geschlossenes Wärmerohr, bildet die zentrale Wärmesenke im Inneren der Vergussmasse (50).
Der Vergleich von 2 a) mit 2 b) verdeutlicht die Möglichkeit weiterer Optimierungen: insbesondere kann die Kühlerstruktur (63) mit rundem Querschnitt ohne Weiteres durch eine Kühlerstruktur (64) mit dreieckigem Querschnitt ersetzt werden. Dies hat den unmittelbaren Vorteil der Verkürzung der meisten Wärmepfade von den Baugruppen (20, 30) zur zentralen Wärmesenke (64) durch die - vergleichsweise schlechter wärmeleitende - Vergussmasse (50). Zugleich hat diese Variation des Querschnitts der zentralen Wärmesenke (64) keine nachteilige Auswirkung auf die äußeren Abmessungen des erfindungsgemäßen kompakten Leistungselektronik-Moduls.
Nach Art der 2 lässt sich beispielsweise eine B6-Brückenschaltung einer 3-phasigen Motorsteuerung herstellen. Die drei dann baugleichen Halbbrücken-Baugruppen nehmen in der gezeigten gleichschenklig dreieckigen, einander zugewandten Konfiguration das geringste Volumen ein, und das Leistungselektronik-Modul nach der Lehre der Erfindung ist somit maximal kompakt.
Dem Fachmann wird es nicht schwer fallen zu erkennen, dass sich in analoger Weise auch andere, typisch symmetrische, kompakte Anordnungen aus herkömmlichen Leistungsmodulen mit erfindungsgemäß vergrößerter Kühlfläche aufgrund zusätzlicher zentraler Wärmesenken (60, 61, 63, 64) konstruieren lassen, vorzugsweiseweise solche, die ein Quadrat oder ein N-eckiges Polygon mit N > 4 als Querschnitt aufweisen.

Claims

Kompaktes Leistungselektronik-Modul aufweisend einen planaren Schaltungsträger (5, 10, 11) sowie eine auf der oberen Flachseite des Schaltungsträgers (5, 10, 11) elektrisch kontaktiert angeordnete elektronische Baugruppe (20, 30) und einen kraft- und formschlüssig mit der Unterseite des Schaltungsträgers (5, 10, 11) thermisch kontaktierten Kühlkörper (40), wobei das Modul wenigstens eine zweite Baugruppe (20, 30) angeordnet auf der Oberseite eines zweiten Schaltungsträgers (5, 10, 11) und einen zweiten Kühlkörper (40) angeordnet auf der Unterseite des zweiten Schaltungsträger (5, 10, 11) aufweist, wobei die Schaltungsträger (5, 10, 11) mit einander zugewandten Oberseiten fixiert angeordnet sind und wenigstens eine von den Baugruppen (20, 30) elektrisch isolierte zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) im Raum zwischen den Baugruppen (20, 30) angeordnet ist, wobei die Baugruppen (20, 30) und die wenigstens eine zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) in einer wärmeleitenden Vergussmasse (50) eingebettet sind, wobei das Modul eine Anzahl N ≥ 3 gleich großer Schaltungsträger (5, 10, 11) mit auf den Oberseiten montierten Baugruppen (20, 30) und auf den Unterseiten montierten Kühlkörpern (40) aufweist, die mit den Baugruppen (20, 30) aufeinander zu gerichteten Seiten eine Form mit N-eckigem Polygon als Querschnitt bildend um die zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) herum fixiert angeordnet sind.
Kompaktes Leistungselektronik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Wärmesenke (60, 61, 63, 64) eine Form mit N-eckigem Polygon als Querschnitt aufweist.