DE102023111238A1

DE102023111238A1 - Device for cooling at least one power semiconductor of a circuit carrier

Info

Publication number: DE102023111238A1
Application number: DE102023111238.4A
Authority: DE
Inventors: Bao Ngoc An; Johannes Klötzl; Alexandre Fischer; Andreas Humbert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-05-02
Filing date: 2023-05-02
Publication date: 2024-11-07
Also published as: WO2024227470A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters (3), der mit einem Schaltungsträger (2) elektrisch leitend verbunden ist, umfasst einen aktiven Kühlkörper (4), in dem ein Kühlmittel (5) geführt ist. Ein thermisches Interface-Material (6) ist zwischen dem aktiven Kühlkörper (4) und dem Schaltungsträger (2) vorgesehen. Ein Konstruktionselement (14) ist derart mit dem aktiven Kühlkörper (4) verbunden, dass ein Anpressdruck (20) auf den Schaltungsträger (2) vorherrscht, der den Schaltungsträger (2) dauerhaft gegen den aktiven Kühlkörper (4) drückt.

A device (1) for cooling at least one power semiconductor (3) that is electrically connected to a circuit carrier (2) comprises an active heat sink (4) in which a coolant (5) is guided. A thermal interface material (6) is provided between the active heat sink (4) and the circuit carrier (2). A construction element (14) is connected to the active heat sink (4) in such a way that a contact pressure (20) prevails on the circuit carrier (2), which presses the circuit carrier (2) permanently against the active heat sink (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters, der mit einem Schaltungsträger elektrisch leitend verbunden ist.The invention relates to a device for cooling at least one power semiconductor which is electrically connected to a circuit carrier.

Stand der TechnikState of the art

Leistungshalbleiter sind auf beziehungsweise in einem Schaltungsträger, beispielsweise einer Hochstrom-Leiterplatte (im Englischen power printed circuit board, abgekürzt mit power PCB), integriert. Aufgrund der hohen Ströme durch den Leistungshalbleiter entsteht Wärme im Leistungshalbleiter selbst und in der den Leistungshalbleiter umgebenden Leiterplatte. Um Schäden an Leistungshalbleiter und Schaltungsträger zu vermeiden, sollte die Wärme zumindest teilweise abgeführt werden. Um diese Wärme optimal abführen zu können, sollte der Schaltungsträger daher optimal an einen Kühlkörper angebunden werden.Power semiconductors are integrated on or in a circuit carrier, for example a high-current printed circuit board (in English power printed circuit board, abbreviated to power PCB). Due to the high currents through the power semiconductor, heat is generated in the power semiconductor itself and in the circuit board surrounding the power semiconductor. To avoid damage to the power semiconductor and circuit carrier, the heat should be at least partially dissipated. In order to be able to dissipate this heat optimally, the circuit carrier should therefore be optimally connected to a heat sink.

DE 196 20 517 A1 offenbart einen Leistungshalbleiter, der mit einer Kühlplatte verbunden ist, die um den Leistungshalbleiter herum Löcher ausgebildet hat. Durch die Löcher in der Kühlplatte kann der Leistungshalbleiter zur Kühlung mit Luft angeströmt werden. DE 196 20 517 A1 discloses a power semiconductor that is connected to a cooling plate that has holes formed around the power semiconductor. The power semiconductor can be cooled by air through the holes in the cooling plate.

In DE 10 2012 205 590 A1 ist eine Anordnung zur Kühlung eines Leistungshalbleiters gezeigt. Der Leistungshalbleiter ist eingegossen und besitzt eine Wärmesenke. Mit dieser Wärmesenke ist der Leistungshalbleiter mit einer weiteren Wärmesenke mittels Klebung, Lötung, Sinterung oder Verschraubung verbunden.In DE 10 2012 205 590 A1 an arrangement for cooling a power semiconductor is shown. The power semiconductor is cast in and has a heat sink. The power semiconductor is connected to this heat sink with another heat sink by means of gluing, soldering, sintering or screwing.

DE 10 2020 213 849 A1 offenbart einen Flüssigkeitskühlkörper zu Kühlung eines Leistungshalbleiters. Hierzu ist eine Kupferplatte am Flüssigkeitskühlkörper angeordnet. Der Leistungshalbleiter ist mit der Kupferplatte über eine Weichlotverbindung verbunden. DE 10 2020 213 849 A1 discloses a liquid cooling body for cooling a power semiconductor. For this purpose, a copper plate is arranged on the liquid cooling body. The power semiconductor is connected to the copper plate via a soft solder connection.

Beschreibung der ErfindungDescription of the Invention

Aufgabe ist, eine Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters zu schaffen, mit der eine verbesserte, einfache und kostengünstige thermische Anbindung des Leistungshalbleiters beziehungsweise des Schaltungsträgers an ein Kühlungssystem, beispielsweise einen aktiven Kühlkörper, oder an ein Gehäuse erfolgt.The object is to create a device for cooling at least one power semiconductor, with which an improved, simple and cost-effective thermal connection of the power semiconductor or the circuit carrier to a cooling system, for example an active heat sink, or to a housing is achieved.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters gelöst, der mit einem Schaltungsträger elektrisch leitend verbunden ist.This object is achieved by a device according to claim 1 for cooling at least one power semiconductor which is electrically conductively connected to a circuit carrier.

In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters, der mit einem Schaltungsträger elektrisch leitend verbunden ist, einen aktiven Kühlkörper (Wärmesenke), in dem ein Kühlmittel geführt ist. Ein thermisches Interface-Material ist zwischen dem aktiven Kühlkörper und dem Schaltungsträger vorgesehen. Ein Konstruktionselement ist derart mit dem aktiven Kühlkörper verbunden, dass ein Anpressdruck auf den Schaltungsträger vorherrscht, der den Schaltungsträger dauerhaft gegen den aktiven Kühlkörper drückt.In one embodiment, the device for cooling at least one power semiconductor, which is electrically connected to a circuit carrier, comprises an active heat sink in which a coolant is guided. A thermal interface material is provided between the active heat sink and the circuit carrier. A structural element is connected to the active heat sink in such a way that a contact pressure prevails on the circuit carrier, which presses the circuit carrier permanently against the active heat sink.

Vorteilhafterweise ermöglicht solch eine Vorrichtung eine einfache, verbesserte, dauerhafte und kostengünstige thermische Anbindung des Schaltungsträgers, beispielsweise einer Hochstrom-Leiterplatte (Power PCB), an ein Kühlungssystem (Wärmesenke).Advantageously, such a device enables a simple, improved, permanent and cost-effective thermal connection of the circuit carrier, for example a high-current printed circuit board (power PCB), to a cooling system (heat sink).

Es sind unterschiedliche technische Konzepte für die Anbindung zwischen Schaltungsträger und Kühlkörper möglich, wie an späterer Stelle noch ausführlich beschrieben wird.Different technical concepts are possible for the connection between the circuit carrier and the heat sink, as will be described in detail later.

In einer Ausführungsform ist das Konstruktionselement ein wannenförmiges Bauteil mit einem umlaufenden Rand, der in Zusammenwirkung mit dem aktiven Kühlkörper den Schaltungsträger umschließt.In one embodiment, the construction element is a trough-shaped component with a peripheral edge which, in cooperation with the active heat sink, encloses the circuit carrier.

In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Leistungshalbleiter im Schaltungsträger eingebettet.In one embodiment, the at least one power semiconductor is embedded in the circuit carrier.

In einer Ausführungsform trägt das als wannenförmiges Bauteil ausgebildete Konstruktionselement mindestens ein Kontaktmittel, das den Anpressdruck als einen mechanischen Druck des am Kühlkörper montierten Konstruktionselements an den Schaltungsträger übergibt. Durch die Kontaktmittel wird eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiter im oder auf dem Schaltungsträger sowie des Schaltungsträgers selber mittels des Kühlkörpers gewährleistet.In one embodiment, the structural element designed as a trough-shaped component carries at least one contact means that transfers the contact pressure as a mechanical pressure of the structural element mounted on the heat sink to the circuit carrier. The contact means ensure sufficient cooling of the power semiconductors in or on the circuit carrier as well as of the circuit carrier itself by means of the heat sink.

In einer Ausführungsform ist das Kontaktmittel derart ausgebildet, dass die Übergabe des mechanischen Drucks durch das Kontaktmittel partiell oder gleichmäßig auf den Schaltungsträger erfolgt. Der Druck kann über die gesamte oder fast die gesamte Fläche des Schaltungsträgers ausgeübt werden.In one embodiment, the contact means is designed such that the mechanical pressure is transferred by the contact means partially or evenly to the circuit carrier. The pressure can be exerted over the entire or almost the entire surface of the circuit carrier.

In einer Ausführungsform ist das Kontaktmittel derart ausgebildet, dass die partielle Übergabe des mechanischen Drucks durch das Kontaktmittel des Konstruktionselements auf den Schaltungsträger zumindest an denjenigen Positionen erfolgt, an denen sich der mindestens eine Leistungshalbleiter im Schaltungsträger befindet. Zusätzlich kann auch ein Anpressdruck an den Rändern des Schaltungsträgers erfolgen.In one embodiment, the contact means is designed such that the partial transfer of the mechanical pressure through the contact means of the construction element to the circuit carrier takes place at least at those positions where the at least one power semiconductor in the circuit carrier. In addition, contact pressure can also be applied to the edges of the circuit carrier.

In einer Ausführungsform ist das Konstruktionselement mit dem Kühlkörper mittels Schraubmontage, Klebemontage und/oder Clip-Montage verbunden.In one embodiment, the structural element is connected to the heat sink by means of screw mounting, adhesive mounting and/or clip mounting.

In einer Ausführungsform ist das Konstruktionselement ein weiterer Kühlkörper, der gegenüber dem Kühlkörper ebenfalls über das thermische Interface-Material an den Schaltungsträger angebunden ist und eine Schraubverbindung den Anpressdruck (mechanischen Druck) des Kühlkörpers und des weiteren Kühlkörpers auf den Schaltungsträger bereitstellt.In one embodiment, the construction element is a further heat sink, which is also connected to the circuit carrier via the thermal interface material opposite the heat sink, and a screw connection provides the contact pressure (mechanical pressure) of the heat sink and the further heat sink on the circuit carrier.

In einer Ausführungsform weist das thermische Interface-Material Materialeigenschaften auf, den Schaltungsträger thermisch an den mindestens einen Kühlkörper anzubinden und thermische Ausdehnungen des Schaltungsträgers auszugleichen.In one embodiment, the thermal interface material has material properties to thermally connect the circuit carrier to the at least one heat sink and to compensate for thermal expansion of the circuit carrier.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

In einer Ausführungsform besteht das thermische Interface-Material aus einem einzigen Material oder aus einem mehrschichtigen Material.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Leistungselektronik gemäß dem Stand der Technik, wobei der Leistungshalbleiter direkt mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Leistungselektronik gemäß dem Stand der Technik, wobei der Leistungshalbleiter mittels einer weiteren möglichen Anbindung direkt mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Leistungselektronik gemäß dem Stand der Technik, wobei der Leistungshalbleiter mittels einer Gehäusestruktur direkt an den Kühlkörper angebunden ist.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters, bei der ein Schaltungsträger mit dem mindestens einen Leistungshalbleiter gegen einen Kühlkörper gedrückt wird.
5 zeigt die in 4. gezeigte Ausführungsform vor dem Zusammenbau.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer beidseitigen Kühlung.
7 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schaummaterial als Kontaktmittel.
8 zeigt einen Querschnitt durch eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem strukturierten Kontaktmittel.
9 zeigt einen Querschnitt durch eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Clip-Montage.
10 zeigt einen Ausschnitt auf einen Querschnitt der Schichtung des Schaltungsträgers, des thermischen Interface-Materials und des Kühlkörpers.
11 zeigt eine Detailansicht auf den in 10 gezeigten Bereich.

In one embodiment, the thermal interface material consists of a single material or a multilayer material.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying schematic drawings.

1 shows a perspective view of an embodiment of a power electronics according to the prior art, wherein the power semiconductor is directly connected to a heat sink in a thermally conductive manner.
2 shows a cross-section through an embodiment of a power electronics according to the prior art, wherein the power semiconductor is directly connected to a heat sink in a thermally conductive manner by means of another possible connection.
3 shows a cross-section through an embodiment of a power electronics according to the prior art, wherein the power semiconductor is directly connected to the heat sink by means of a housing structure.
4 shows a cross section through an embodiment of the device according to the invention for cooling at least one power semiconductor, in which a circuit carrier with the at least one power semiconductor is pressed against a heat sink.
5 shows the 4 . shown embodiment before assembly.
6 shows a cross-section through another embodiment of the device according to the invention with double-sided cooling.
7 shows a cross-section through a further embodiment of the device according to the invention with a foam material as contact means.
8 shows a cross section through yet another embodiment of the device according to the invention with a structured contact means.
9 shows a cross-section through yet another embodiment of the device according to the invention with a clip mounting.
10 shows a section of a cross-section of the layering of the circuit carrier, the thermal interface material and the heat sink.
11 shows a detailed view of the 10 shown area.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung und ZeichnungenDetailed description of the invention and drawings

Die Zeichnungen stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und sind nicht als Beschränkung der Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele aufzufassen.The drawings merely illustrate embodiments of the invention and are not to be construed as limiting the invention to the embodiments shown.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters 3 (Leistungselektronik), der mit einem Schaltungsträger 2 (beispielsweise PCB) elektrisch leitend verbunden ist. Der Leistungshalbleiter 3 ist direkt mit einem Kühlkörper 4 wärmeleitend verbunden. Bei der konventionellen Leistungselektronik sind die Leistungshalbleiter 3 in oder auf der PCB 2 verlötet. Der Leistungshalbleiter 3 bildet eine Wärmequelle und wird über Wärmeleitmaterialien (thermische Interface-Materialien, abgekürzt „TIM“) 6, beispielsweise Thermobänder, mit dem Kühlkörper 4 über Schraubverbindungen 18 (siehe 2) verbunden. Damit entsteht eine direkte thermische Anbindung des Leistungshalbleiters 3 an dem Kühlkörper 4. 1 shows a perspective view of an embodiment of a device 1 according to the prior art for cooling at least one power semiconductor 3 (power electronics) which is electrically connected to a circuit carrier 2 (for example PCB). The power semiconductor 3 is directly connected to a heat sink 4 in a thermally conductive manner. In conventional power electronics, the power semiconductors 3 are soldered in or on the PCB 2. The power semiconductor 3 forms a heat source and is connected to the heat sink 4 via heat conducting materials (thermal interface materials, abbreviated to "TIM") 6, for example thermal tapes, via screw connections 18 (see 2 ). This creates a direct thermal connection between the power semiconductor 3 and the heat sink 4.

In der Darstellung nach 1 sind der Schaltungsträger 2 und der Kühlkörper 4 im nicht montierten Zustand gezeigt. Der montierte Zustand weiterer Ausführungsformen des Standes der Technik wird in 2 und 3 gezeigt. Die PCB 2 samt den Leistungshalbleitern 3 wird über ein Konstruktionselement 14, an den Kühlkörper 4 gedrückt. Die Leistungshalbleiter 3 sind in diesen Ausführungsformen direkt an den Kühlkörper 4 wärmeleitend angebunden, wie in 2 und 3 dargestellt. Beispielsweise wird in 1 der Kühlkörper 4 mittels Nieten 30 in entsprechenden Aufnahmen 32 des Schaltungsträgers 2 montiert. Abstandsbolzen 31 zwischen dem Schaltungsträger 2 und dem Kühlkörper 4 dienen auch zur gleichmäßigen Durchverteilung und zur Vermeidung der Verzugs des Schaltungsträgers 2. Vorsprünge 9 des Konstruktionselements 14 drücken den Schaltungsträger 2 und somit den Leistungshalbleiter 2, wie in 3 dargestellt, direkt an den Kühlkörper 4. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Kühlung mindestens eines Leistungshalbleiters 3, bei der ein Schaltungsträger 2 mit dem mindestens einen Leistungshalbleiter 1 gegen einen aktiven Kühlkörper 4 gedrückt wird. 5 zeigt die in 4. gezeigte Ausführungsform vor dem Zusammenbau von Konstruktionselement 14, Schaltungsträger 2 und Kühlkörper 4. Die Vorrichtung 1 zur Kühlung des mindestens einen Leistungshalbleiters 3, der mit dem Schaltungsträger 2 elektrisch leitend verbunden ist, umfasst den aktiven Kühlkörper 4, in dem ein Kühlmittel 5 geführt ist. Ein thermisches Interface-Material 6 ist zwischen dem aktiven Kühlkörper 4 und dem Schaltungsträger 2 vorgesehen. Dadurch erfolgt eine thermische Anbindung des Power-PCBs 2 auf dem Kühlkörper 4 durch ein thermisches Interface-Material 6 zwischen PCB 2 und Kühlkörper 4.In the illustration according to 1 The circuit carrier 2 and the heat sink 4 are shown in the unassembled state. The assembled state of further embodiments of the prior art is shown in 2 and 3 The PCB 2 together with the power semiconductors 3 is pressed onto the heat sink 4 via a construction element 14. In these embodiments, the power semiconductors 3 are directly connected to the heat sink 4 in a heat-conducting manner, as in 2 and 3 For example, in 1 the heat sink 4 by means of rivets 30 in ent corresponding receptacles 32 of the circuit carrier 2. Spacer bolts 31 between the circuit carrier 2 and the heat sink 4 also serve to evenly distribute the heat and to prevent distortion of the circuit carrier 2. Projections 9 of the construction element 14 press the circuit carrier 2 and thus the power semiconductor 2, as in 3 shown, directly to the heat sink 4. 4 shows a cross section through an embodiment of the device 1 according to the invention for cooling at least one power semiconductor 3, in which a circuit carrier 2 with the at least one power semiconductor 1 is pressed against an active heat sink 4. 5 shows the 4 . embodiment shown before assembly of construction element 14, circuit carrier 2 and heat sink 4. The device 1 for cooling the at least one power semiconductor 3, which is electrically connected to the circuit carrier 2, comprises the active heat sink 4, in which a coolant 5 is guided. A thermal interface material 6 is provided between the active heat sink 4 and the circuit carrier 2. This results in a thermal connection of the power PCB 2 on the heat sink 4 by a thermal interface material 6 between the PCB 2 and the heat sink 4.

Ein Konstruktionselement 14 ist derart mit dem aktiven Kühlkörper 4 verbunden, dass ein Anpressdruck 20 auf den Schaltungsträger 2 vorherrscht. Der Anpressdruck 20 drückt den Schaltungsträger 2 dauerhaft gegen den aktiven Kühlkörper 4.A construction element 14 is connected to the active heat sink 4 in such a way that a contact pressure 20 prevails on the circuit carrier 2. The contact pressure 20 presses the circuit carrier 2 permanently against the active heat sink 4.

In der gezeigten Ausführungsform nach 4 ist das Konstruktionselement 14 ein wannenförmiges Bauteil 15 mit einem umlaufenden Rand 16, der in Zusammenwirkung mit dem aktiven Kühlkörper 4 den Schaltungsträger 2 umschließt.In the embodiment shown according to 4 the construction element 14 is a trough-shaped component 15 with a circumferential edge 16 which, in cooperation with the active heat sink 4, encloses the circuit carrier 2.

In der gezeigten Ausführungsform nach 4 ist zudem der mindestens eine Leistungshalbleiter 3 im Schaltungsträger 2 eingebettet (Hochstrom-PCB mit eingebetteten Leistungshalbleiter 3). Der Leistungshalbleiter 3 ist in Form eine Halbleiter-Chips ausgebildet, der auch in diskreter Form auf dem Schaltungsträger 2 ausgebracht sein kann. Die Einbettung des Leistungshalbleiters 3 bezeichnet man als Chip-Embedding beziehungsweise Component Embedding.In the embodiment shown according to 4 In addition, at least one power semiconductor 3 is embedded in the circuit carrier 2 (high-current PCB with embedded power semiconductor 3). The power semiconductor 3 is designed in the form of a semiconductor chip, which can also be applied in discrete form on the circuit carrier 2. The embedding of the power semiconductor 3 is referred to as chip embedding or component embedding.

Das als wannenförmiges Bauteil 15 ausgebildete Konstruktionselement 14 trägt mindestens ein Kontaktmittel 21, das den Anpressdruck als einen mechanischen Druck 20 des am Kühlkörper 4 montierten Konstruktionselements 14 an den Schaltungsträger 2 übergibt, um so eine ausreichende Kühlung der Leistungshalbleiter 3 im oder auf dem Schaltungsträger 2 sowie des Schaltungsträgers 2 selber mittels des Kühlkörpers 4 zu gewährleisten. Die flächige Anlage des Schaltungsträgers 2 am Kühlkörper 4 wird dauerhaft durch das montierte Konstruktionselement 14 gewährleistet. Die Kontaktmittel 21 können auch als Verteiler des Anpressdrucks 20 zum Ausgleichen der unterschiedlichen Höhenpotentiale der Leistungshalbleiter 3 im oder auf dem Schaltungsträger 2 und des Schaltungsträgers 2 selber dienen, um Toleranzen des beispielsweise bei der Fertigung und Schwindung für den Schaltungsträger 2 verwendeten FR4 Materials (Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen, bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe; die Abkürzung FR steht für „flame retardant“, deutsch „flammenhemmend“) über die Lebensdauer des Schaltungsträgers 2 samt der Leistungshalbleiter 3 auszugleichen. Hierdurch wird über die gesamte Lebensdauer der Vorrichtung 1 ein nahezu gleichmäßiger Anpressdruck 20 ausgeübt.The structural element 14, which is designed as a trough-shaped component 15, carries at least one contact means 21, which transfers the contact pressure as a mechanical pressure 20 of the structural element 14 mounted on the heat sink 4 to the circuit carrier 2, in order to ensure sufficient cooling of the power semiconductors 3 in or on the circuit carrier 2 and of the circuit carrier 2 itself by means of the heat sink 4. The flat contact of the circuit carrier 2 on the heat sink 4 is permanently ensured by the mounted structural element 14. The contact means 21 can also serve as a distributor of the contact pressure 20 to compensate for the different height potentials of the power semiconductors 3 in or on the circuit carrier 2 and of the circuit carrier 2 itself, in order to compensate for tolerances of the FR4 material (class of flame-retardant and flame-retardant composite materials consisting of epoxy resin and glass fiber fabric; the abbreviation FR stands for "flame retardant") used, for example, in the manufacture and shrinkage of the circuit carrier 2 over the service life of the circuit carrier 2 including the power semiconductors 3. As a result, an almost uniform contact pressure 20 is exerted over the entire service life of the device 1.

Die Kontaktmittel 21 können derart ausgebildet sein, dass die Übergabe des mechanischen Drucks 20 durch das Kontaktmittel 21 partiell oder gleichmäßig auf den Schaltungsträger 2 erfolgt. Hierbei kann das Kontaktmittel 21 derart ausgebildet sein, dass im Falle einer partiellen Übergabe des mechanischen Drucks 20 diese partielle Übergabe durch das Kontaktmittel 21 des Konstruktionselements 14 auf den Schaltungsträger 2 zumindest an denjenigen Positionen erfolgt, an denen sich der mindestens eine Leistungshalbleiter 3 im Schaltungsträger 2 befindet.The contact means 21 can be designed such that the transfer of the mechanical pressure 20 through the contact means 21 takes place partially or evenly to the circuit carrier 2. In this case, the contact means 21 can be designed such that in the case of a partial transfer of the mechanical pressure 20, this partial transfer through the contact means 21 of the construction element 14 to the circuit carrier 2 takes place at least at those positions at which the at least one power semiconductor 3 is located in the circuit carrier 2.

Bevorzugt hat das wannenförmige Bauteil 15 jeweils einen inneren Vorsprung 10 gegenüber dem mindestens einen Leistungshalbleiter 3 im Schaltungsträger 2 ausgebildet, und an dem jeweiligen freien Ende 12 des jeweiligen inneren Vorsprungs 10 ist jeweils ein Kontaktmittel 21 angebracht, das den Anpressdruck als den vorgenannten mechanischen Druck 20 des am Kühlkörper 4 montierten Konstruktionselements 14 an den Schaltungsträger 2 übergibt. Dadurch sind Druckpunkte an denjenigen Stellen des Konstruktionselements 14 ausgebildet, an denen die Leistungshalbleiter 3 in der PCB 2 eingebettet sind.Preferably, the trough-shaped component 15 has an inner projection 10 opposite the at least one power semiconductor 3 in the circuit carrier 2, and a contact means 21 is attached to the respective free end 12 of the respective inner projection 10, which transfers the contact pressure as the aforementioned mechanical pressure 20 of the construction element 14 mounted on the heat sink 4 to the circuit carrier 2. As a result, pressure points are formed at those points on the construction element 14 at which the power semiconductors 3 are embedded in the PCB 2.

Zwischen dem umlaufenden Rand 16 des Konstruktionselements 14 beziehungsweise wannenförmigen Bauteils 15 und dem Kühlkörper 4 ist bevorzugt ein relativ geringer Abstand 8 vorgesehen. Insbesondere ist zwischen mindestens einem randseitigen Vorsprung 11 und dem Kühlkörper 4 bevorzugt ein relativ geringer Abstand 8 vorgesehen. Der Abstand 8 dient dazu, einen Spielraum beziehungsweise Toleranzabstand für die thermische Ausdehnung des Schaltungsträgers 2 im Betrieb zu schaffen, so dass bei Ausdehnungen des Schaltungsträgers 2 aufgrund von Temperaturschwankungen im Betrieb dieser nicht beschädigt wird.A relatively small distance 8 is preferably provided between the peripheral edge 16 of the construction element 14 or trough-shaped component 15 and the heat sink 4. In particular, a relatively small distance 8 is preferably provided between at least one edge-side projection 11 and the heat sink 4. The distance 8 serves to create a clearance or tolerance distance for the thermal expansion of the circuit carrier 2 during operation, so that in the event of expansion of the circuit carrier 2 due to temperature fluctuations in operation will not damage it.

Das Konstruktionselement 14 kann mit dem Kühlkörper 4 mittels Schraubmontage, Klebemontage und/oder Clip-Montage an den Rändern verbunden werden, wie an späterer Stelle genauer erläutert wird. Im zusammenmontierten Zustand erfolgt der Aufbau des Anpressdrucks 20 durch Verbindung des Konstruktionselements 14 an den Kühlkörper 4.The construction element 14 can be connected to the heat sink 4 by means of screw mounting, adhesive mounting and/or clip mounting at the edges, as will be explained in more detail later. In the assembled state, the contact pressure 20 is built up by connecting the construction element 14 to the heat sink 4.

5 stellt die in 4 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung 1 vor dem Zusammenbau dar. Während des Betriebs der Vorrichtung 1 kann sich eine konkave Verbiegung (Durchbiegung, „Warpage-Bildung“) des Schaltungsträgers 2 aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien im Schaltungsträger 2 und aufgrund der unterschiedlichen Temperaturverteilung im Schaltungsträger 2 ausbilden. Durch einen passenden Anpressdruck 20 auf die Ecken und Kanten des Schaltungsträgers 2 mittels entsprechender Kontaktträger 21 am Konstruktionselement 14 im Bereich des umlaufenden Rands 16 kann eine gleichmäßige Druckanbindung zwischen dem Schaltungsträger 2 und dem Kühlkörper 4 erhalten werden. 5 represents the 4 shown embodiment of the device 1 before assembly. During operation of the device 1, a concave bend (deflection, "warpage formation") of the circuit carrier 2 can form due to the different expansion coefficients of the materials in the circuit carrier 2 and due to the different temperature distribution in the circuit carrier 2. By applying an appropriate contact pressure 20 to the corners and edges of the circuit carrier 2 by means of corresponding contact carriers 21 on the construction element 14 in the area of the peripheral edge 16, a uniform pressure connection between the circuit carrier 2 and the heat sink 4 can be obtained.

Im Unterschied zum Stand der Technik kann somit sowohl eine Druckapplikation des Anpressdrucks 20 auf den Schaltungsträger 2 mit einer Kühlung der Leistungshalbleiter 3 über den Schaltungsträger 2 (da der Schaltungsträger 2 wiederum durch den Kühlkörper 4 gekühlt wird und der Schaltungsträger 2 die Kühlung an die mit ihm verbundenen Leistungshalbleiter 3 weitergibt) als auch eine Druckapplikation des Anpressdrucks 20 mit Warpage-Ausgleich des Schaltungsträgers 2 erfolgen.In contrast to the prior art, both a pressure application of the contact pressure 20 to the circuit carrier 2 with a cooling of the power semiconductors 3 via the circuit carrier 2 (since the circuit carrier 2 is in turn cooled by the heat sink 4 and the circuit carrier 2 passes the cooling on to the power semiconductors 3 connected to it) and a pressure application of the contact pressure 20 with warpage compensation of the circuit carrier 2 can be carried out.

6 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer beidseitigen Kühlung. Dabei wird außer dem aktiven Kühlkörper 4 auch noch ein weiterer Kühlkörper 40 auf den Schaltungsträger 2 verschraubt. Das Konstruktionselement 14 ist hier also der weitere Kühlkörper 40, der gegenüber dem Kühlkörper 4 ebenfalls über das thermische Interface-Material 6 an den Schaltungsträger 2 angebunden ist. Eine Schraubverbindung 18 stellt den Anpressdruck 20 (mechanischen Druck) des Kühlkörpers 4 von unten und des weiteren Kühlkörpers 40 von oben auf den Schaltungsträger 2 für die thermische Anbindung des Schaltungsträgers 2 zu den beiden Kühlkörpern 4, 40 bereit, so dass eine beidseitige Kühlung des Schaltungsträgers 2 von oben und unten erfolgt. Als Kühlmittel 5 in den Kühlkörpern 4, 40 kann beispielsweise Wasser-Glykol oder ein spezielles Kühlmittel für Immersionskühlung verwendet werden. 6 shows a cross-section through another embodiment of the device 1 according to the invention with cooling on both sides. In addition to the active heat sink 4, a further heat sink 40 is also screwed onto the circuit carrier 2. The construction element 14 here is therefore the further heat sink 40, which is also connected to the circuit carrier 2 via the thermal interface material 6 opposite the heat sink 4. A screw connection 18 provides the contact pressure 20 (mechanical pressure) of the heat sink 4 from below and of the further heat sink 40 from above on the circuit carrier 2 for the thermal connection of the circuit carrier 2 to the two heat sinks 4, 40, so that the circuit carrier 2 is cooled on both sides from above and below. For example, water glycol or a special coolant for immersion cooling can be used as the coolant 5 in the heat sinks 4, 40.

Alle weiteren Möglichkeiten für die Ausführung der verschiedenen Elemente wurden bereits zuvor beschrieben.All other possibilities for the implementation of the various elements have already been described previously.

7 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Material als Kontaktmittel 21. Dabei wird der Schaltungsträger 2 samt Leistungshalbleitern 3 über ein thermisches Interface-Material 6 an einen Kühlkörper 4 mit einem Kühlmittel 5 thermisch angebunden. Ein Konstruktionselement beziehungsweise eine Gehäuseabdeckung 14 ist auf dem Kühlkörper 4 montiert, um den Schaltungsträger 2 auf dem Kühlkörper 4 zu fixieren. 7 shows a cross section through a further embodiment of the device 1 according to the invention with a material as a contact means 21. The circuit carrier 2 together with power semiconductors 3 is thermally connected to a heat sink 4 with a coolant 5 via a thermal interface material 6. A construction element or a housing cover 14 is mounted on the heat sink 4 in order to fix the circuit carrier 2 on the heat sink 4.

In dieser Ausführungsform ist ein Innenraum 19 zwischen dem umlaufenden Rand 16 des Konstruktionselements beziehungsweise der Gehäuseabdeckung 14 über eine Ventilöffnung 22 im Konstruktionselement beziehungsweise in der Gehäuseabdeckung 14 mit einem Material als Kontaktmittel 21 zur gleichmäßigen Verteilung des Anpressdrucks 20 gefüllt. Das Konstruktionselement 14, 15 ist wannenfömig.In this embodiment, an interior space 19 between the peripheral edge 16 of the construction element or the housing cover 14 is filled with a material as a contact means 21 for the uniform distribution of the contact pressure 20 via a valve opening 22 in the construction element or in the housing cover 14. The construction element 14, 15 is trough-shaped.

Das Material-Kontaktmittel 21 kann beispielsweise schaumartig und flexibel sein und sich ausdehnen. Das Material-Kontaktmittel 21 kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes Material sein, beispielsweise wenn die Isolation durch den Schaltungsträger 2 nicht gewährleistet ist. Optional kann das Material-Kontaktmittel 21 dagegen auch ein thermisch leitfähiges Material sein. Bei allen Ausführungsvarianten wird durch die Verwendung eines solchen Material-Kontaktmittels 21, das den Innenraum 19 ausfüllt, in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Verteilung des Drucks 20 über den gesamten Schaltungsträger 2 gewährleistet.The material contact means 21 can, for example, be foam-like and flexible and expand. The material contact means 21 can, for example, be an electrically insulating material, for example if the insulation is not ensured by the circuit carrier 2. Optionally, the material contact means 21 can also be a thermally conductive material. In all embodiments, the use of such a material contact means 21, which fills the interior space 19, advantageously ensures a uniform distribution of the pressure 20 over the entire circuit carrier 2.

8 zeigt einen Querschnitt durch eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem strukturierten Kontaktmittel 21 als Druckverteiler des Drucks 20. Das Konstruktionselement 14, 15 (Gehäusedeckel) ist ebenfalls wannenfömig mit einem umlaufenden Rand 16. 8 shows a cross section through yet another embodiment of the device 1 according to the invention with a structured contact means 21 as a pressure distributor of the pressure 20. The construction element 14, 15 (housing cover) is also trough-shaped with a peripheral edge 16.

Das strukturierte Kontaktmittel 21 ist im Innenraum 19 des Konstruktionselements 14 integriert. Die Strukturierung beziehungsweise Profilierung 25 des Kontaktmittels 21 weist beispielsweise eine oder mehrere Einbuchtungen 23 und Ausbuchtungen 24 auf. Durch diese Strukturierung beziehungsweise Profilierung 25 im Kontaktmittel 21 gegenüber der Oberfläche des Schaltungsträgers 2 können diejenigen Bereiche auf dem Schaltungsträger 2 mit Druckanbindung frei festgelegt werden (vergleichbar mit einem Negativbildabdruck). Dabei lässt sich über die Art der Profilierung 25 die Presskraft 20 in den Druckbereichen auf dem Schaltungsträger 2 individuell einstellen. Auf der Oberfläche des Schaltungsträgers 2 montierte Bauelemente 7, beispielsweise elektronische Komponenten wie SMD-Komponenten, können so keine Presskraft 20 erfahren und werden somit vor Beschädigung geschützt.The structured contact means 21 is integrated in the interior 19 of the construction element 14. The structuring or profiling 25 of the contact means 21 has, for example, one or more indentations 23 and protrusions 24. Through this structuring or profiling 25 in the contact means 21 compared to the surface of the circuit carrier 2, those areas on the circuit carrier 2 with pressure connection can be freely defined (comparable to a negative image imprint). The pressing force 20 in the pressure areas on the circuit carrier 2 can be determined via the type of profiling 25. individually. Components 7 mounted on the surface of the circuit carrier 2, for example electronic components such as SMD components, cannot experience any pressing force 20 and are thus protected from damage.

Alle weiteren Möglichkeiten für die Ausführung der verschiedenen Elemente 2, 3, 4, 5, 6 wurden bereits zuvor beschrieben.All other possibilities for the execution of the various elements 2, 3, 4, 5, 6 have already been described previously.

9 zeigt einen Querschnitt durch eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Clip-Montage, bei der ein wannenförmiges Konstruktionselement beziehungsweise eine Gehäuseabdeckung 14, 15 auf einem Kühlkörper 4 mittels einer Clip-Verbindung 26 geclippt werden kann. Ein beliebiges Kontaktmittel 21 gemäß den 4 bis 8 kann als Druckverteiler des Drucks 20 verwendet werden, beispielsweise, wie hier gezeigt, ein Material-Kontaktmittel 21 im Innenraum 19 des Konstruktionselements beziehungsweise der Gehäuseabdeckung 14 gemäß 7. Der Vorteil gegenüber einer Schraubverbindung 18 (siehe 6) ist die Reduktion des Montageaufwandes. 9 shows a cross section through yet another embodiment of the device 1 according to the invention with a clip assembly, in which a trough-shaped construction element or a housing cover 14, 15 can be clipped onto a heat sink 4 by means of a clip connection 26. Any contact means 21 according to the 4 to 8 can be used as a pressure distributor of the pressure 20, for example, as shown here, a material contact means 21 in the interior 19 of the construction element or the housing cover 14 according to 7 The advantage over a screw connection 18 (see 6 ) is the reduction of assembly effort.

Alle weiteren Möglichkeiten für die Ausführung der verschiedenen Elemente 2, 3, 4, 5, 6, 22 wurden bereits zuvor beschrieben.All other possibilities for the execution of the various elements 2, 3, 4, 5, 6, 22 have already been described previously.

10 zeigt einen Ausschnitt auf einen Querschnitt der Schichtung des Schaltungsträgers 2 samt Leistungshalbleiter 3, des thermischen Interface-Materials 6 und des Kühlkörpers 4 samt Kühlmittel 5, um die thermische Anbindung des Schaltungsträgers 2 an den Kühlkörpers 4 näher zu erläutern. 11 zeigt eine Detailansicht auf einen in 10 gezeigten Bereich 50. 10 shows a section of a cross-section of the layering of the circuit carrier 2 including the power semiconductor 3, the thermal interface material 6 and the heat sink 4 including the coolant 5 in order to explain the thermal connection of the circuit carrier 2 to the heat sink 4 in more detail. 11 shows a detailed view of a 10 shown area 50.

Unter dem Schaltungsträger 2 muss das thermische Interface-Material 6 eingefügt werden, welches die Microbewegungen des Schaltungsträgers 2 aufgrund der thermischen Ausdehnungen ausgleicht und den Schaltungsträger 2 an den Kühlkörper 4 thermisch anbindet. Dieses thermische Interface-Material 6 sollte bevorzugt folgende Materialeigenschaft aufweisen: gute thermische Leitfähigkeit, Flexibilität (wofür eine reine Graphitschicht nicht geeignet ist, da sie aufgrund der Belastungen reißen würde) und optional eine elektrische Isolation, welche nur erforderlich ist, wenn der Schaltungsträger 2 nach unten hin (in Richtung des Kühlkörpers 4) nicht elektrisch isoliert ist.The thermal interface material 6 must be inserted under the circuit carrier 2, which compensates for the micro-movements of the circuit carrier 2 due to thermal expansion and thermally connects the circuit carrier 2 to the heat sink 4. This thermal interface material 6 should preferably have the following material properties: good thermal conductivity, flexibility (for which a pure graphite layer is not suitable, as it would tear due to the stresses) and optionally electrical insulation, which is only required if the circuit carrier 2 is not electrically insulated downwards (towards the heat sink 4).

Das thermische Interface-Material 6 kann aus einem Material bestehen (10). Alternativ kann das thermische Interface-Material 6 aus einem zwei- oder mehrschichtigem Material bestehen (11), wobei eine weiche, flexible, bewegungsausgleichende oder pastenartige Schicht 61, beispielsweise aus Silikon und/oder PET (Polyethylenterephthalat), verwendet werden kann. Es kann auch beispielsweise eine Graphitschicht als eine wärmeleitende und wärmespreizende Schicht 62 verwendet werden.The thermal interface material 6 may consist of a material ( 10 ). Alternatively, the thermal interface material 6 can consist of a two- or multi-layer material ( 11 ), whereby a soft, flexible, movement-compensating or paste-like layer 61, for example made of silicone and/or PET (polyethylene terephthalate), can be used. A graphite layer, for example, can also be used as a heat-conducting and heat-spreading layer 62.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Vorrichtungdevice
22: Schaltungsträger, PCBcircuit carrier, PCB
33: Leistungshalbleiterpower semiconductors
44: Kühlkörperheat sink
55: Kühlmittelcoolant
66: Thermisches Interface-MaterialThermal interface material
77: Oberflächenmontiertes Bauelementsurface-mounted component
88: AbstandDistance
99: Vorsprungprojection
1010: Innerer VorsprungInner projection
1111: Randseitiger Vorsprungmarginal projection
1212: Freies Endefree end
1414: Konstruktionselementconstruction element
1515: Wannenförmiges Bauteil bzw. wannenförmiges GehäuseteilTub-shaped component or tub-shaped housing part
1616: Umlaufender Randsurrounding edge
1818: Schraubverbindungscrew connection
1919: Innenrauminterior
2020: DruckPressure
2121: Kontaktmittelcontact agent
2222: Ventilöffnungvalve opening
2323: Einbuchtungindentation
2424: Ausbuchtungbulge
2525: Profilierungprofiling
2626: Clip-Verbindungclip connection
3030: Nietrivet
3131: Abstandsbolzenspacer bolts
3232: AufnahmeRecording
4040: Weiterer KühlkörperAdditional heat sink
5050: BereichArea
6161: Flexible Schichtflexible layer
6262: Wärmeleitende Schichtheat-conducting layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19620517 A1 [0003]
DE 102012205590 A1 [0004]
DE 102020213849 A1 [0005]

Claims

Device (1) for cooling at least one power semiconductor (3) which is electrically conductively connected to a circuit carrier (2); characterized by an active heat sink (4) in which a coolant (5) is guided; a thermal interface material (6) which is provided between the active heat sink (4) and the circuit carrier (2); and a construction element (14) which is connected to the active heat sink (4) in such a way that a contact pressure (20) prevails on the circuit carrier (2), which presses the circuit carrier (2) permanently against the active heat sink (4).

Device (1) according to claim 1 , wherein the construction element (14) is a trough-shaped component (15) with a peripheral edge (16) which, in cooperation with the active heat sink (4), encloses the circuit carrier (2).

Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one power semiconductor (3) is embedded in the circuit carrier (2).

Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the structural element (14) designed as a trough-shaped component (15) carries at least one contact means (21) which transfers the contact pressure as a mechanical pressure (20) of the structural element (14) mounted on the heat sink (4) to the circuit carrier (2).

Device (1) according to claim 4 , wherein the contact means (21) is designed such that the transfer of the mechanical pressure (20) through the contact means (21) takes place partially or evenly to the circuit carrier (2).

Device (1) according to claim 5 , wherein the contact means (21) is designed such that the partial transfer of the mechanical pressure (20) through the contact means (21) of the construction element (14) to the circuit carrier (2) takes place at least at those positions at which the at least one power semiconductor (3) is located in the circuit carrier (2).

Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the construction element (14) is connected to the heat sink (4) by means of screw mounting, adhesive mounting and/or clip mounting.

Device (1) according to claim 1 , wherein the construction element (14) is a further heat sink (40) which, opposite the heat sink (4), is also connected to the circuit carrier (2) via the thermal interface material (6) and a screw connection (18) provides the contact pressure (20) of the heat sink (4) and the further heat sink (40) on the circuit carrier (2).

Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the thermal interface material (6) has material properties to thermally connect the circuit carrier (2) to the at least one heat sink (4) and to compensate for thermal expansions of the circuit carrier (2).

Device (1) according to claim 9 , wherein the thermal interface material (6) consists of a single material or of a multilayer material (61, 62).