DE10027688A1 - Preparing flat, unstructured baseplate of electrical or electronic component for use with liquid cooling has structure of slots or ribs applied to baseplate - Google Patents
Preparing flat, unstructured baseplate of electrical or electronic component for use with liquid cooling has structure of slots or ribs applied to baseplateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ertüchtigen einer für die Montage auf ebenen Flächen vorgesehenen Bodenplatte eines elektronischen Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung und auf ein elektronisches Bauelement, das unter Verwendung einer nach diesem Verfahren hergestellten Bodenplatte gefertigt wird.The invention relates to a method for upgrading one intended for installation on flat surfaces Base plate of an electronic component for use with liquid cooling and on an electronic one Component made using this method manufactured base plate is manufactured.
Leistungselektronische Anordnungen werden für einen großen Leistungsbereich mit Leistungshalbleitermodulen realisiert. Leistungshalbleitermodule enthalten außer den Leistungshalbleiterbauelementen häufig noch mindestens eine elektrische Isolation, die die Leistungshalbleiterbauelemente von der Modulbodenplatte galvanisch trennen. Während des Betriebes tritt in den Leistungshalbleiterbauelementen Verlustwärme auf, die über die gut wärmeleitfähige elektrische Isolation und weiter über die Modulbodenplatte an die Umgebung abzuführen ist. Power electronics assemblies are used for a large Power range realized with power semiconductor modules. Power semiconductor modules contain in addition to Power semiconductor components often have at least one electrical insulation that the power semiconductor devices galvanically separate from the module base plate. During the Operation occurs in power semiconductor devices Heat loss on the well thermally conductive electrical Isolation and further via the module base plate to the environment is to be dissipated.
Die Bodenplatten von Leistungshalbleitermodulen sind hierfür so beschaffen, daß eine Montage auf ebene Oberflächen von Kühlern für Luft- oder Flüssigkühlung erfolgen kann. Diese aus fertigungstechnischer Sicht günstige Aufteilung zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühler weist jedoch den Nachteil eines unvorteilhaft hohen Wärmewiderstandes an dieser Trennstelle auf. Ein hoher Wärmewiderstand schränkt die maximal abführbare Verlustleistung des Leistungshalbleitermoduls ein, da durch die auftretenden Verlustleistungen vorgegebene Grenztemperaturen in den Leistungshalbleiterbauelementen nicht überschritten werden dürfen und die Kühlmitteltemperatur durch die vorgegebene Anwendung weitgehend festgelegt ist.The base plates of power semiconductor modules are for this in such a way that mounting on flat surfaces of Coolers for air or liquid cooling can be done. This out manufacturing division favorable division between Power semiconductor module and cooler, however, has the disadvantage an unfavorably high thermal resistance on this Separation point. A high thermal resistance limits the maximum dissipatable power loss of the Power semiconductor module, because of the occurring Power losses specified limit temperatures in the Power semiconductor components are not exceeded allowed and the coolant temperature by the specified Application is largely determined.
Insbesondere bei Einsatz von flüssigen Kühlmitteln, womit eine intensivere Kühlwirkung als mit Luftkühlung erzielbar ist, wirkt sich der Wärmeübergang an der Trennstelle zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühler besonders nachteilig aus.Especially when using liquid coolants, which means a more intensive cooling effect than can be achieved with air cooling, the heat transfer affects at the point of separation between Power semiconductor module and cooler particularly disadvantageous.
Für besonders dauerhafte Leistungselektronik-Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen werden inzwischen Leistungshalbleitermodule mit einem Bodenplattenwerkstoff angeboten, dessen thermischer Längenausdehungskoeffizient besser an den der Leistungshalbleiterbauelemente und den übrigen im Modul verwendeten Werkstoffen angepaßt ist, als das mit dem bisher verwendeten Bodenplattenwerkstoff Kupfer der Fall ist. Hierbei wird die durch den Einsatz von flüssigen Kühlmitteln mögliche Steigerung der Verlustleistungsdichte unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit der Aufbau- und Verbindungstechnik berücksichtigt. For particularly permanent power electronics applications with high reliability requirements are meanwhile Power semiconductor modules with a base plate material offered, whose thermal expansion coefficient better at that of the power semiconductor components and other materials used in the module is adapted as that with the previously used base plate material copper Case is. This is done through the use of liquid Coolants possible increase in the power loss density while maintaining the reliability of construction and Connection technology considered.
Vorteilhafte Ausgestaltungen von Bodenplatten für Flüssigkühlung können auch eine Zapfenstruktur aufweisen, die zur Verbesserung der Kühlwirkung direkt vom Kühlmittel angeströmt wird. Ein derartiger Halbleiteraufbau ist beispielsweise aus der EP 603 860 bekannt. Die verbesserte Kühlwirkung ergibt sich durch eine Vergrößerung der Oberfläche zwischen Leistungshalbleitermodul und Kühlmittel sowie der Vermeidung der Ausbildung einer laminaren Kühlmittelströmung. Bei einer laminaren Kühlmittelströmung treten Grenzschichten mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit auf, die die Kühlwirkung herabsetzen. Zapfenkühler bewirken bei geeigneter Bemessung eine turbulente Kühlmittelströmung ohne diesen Nachteil.Advantageous designs of floor panels for Liquid cooling can also have a peg structure that to improve the cooling effect directly from the coolant is flowed to. Such a semiconductor structure is known for example from EP 603 860. The improved The cooling effect results from an enlargement of the surface between power semiconductor module and coolant as well as the Avoiding the formation of a laminar coolant flow. Boundary layers occur in a laminar coolant flow with reduced flow velocity, which the Reduce cooling effect. If the cooler is more suitable, Dimension a turbulent coolant flow without it Disadvantage.
Strukturiert ausgeführte Bodenplatten für direkte Flüssigkühlung sind bislang wirtschaftlich jedoch nur in großen Stückzahlen einsetzbar. Für Anwendungen mit geringer Stückzahl besteht häufig die Forderung nach dem Einsatz von Standard-Komponenten. Gründe hierfür liegen in einer geringeren Vielfalt von zu bevorratenden Ersatzteilen sowie der Möglichkeit der schnelleren Umsetzung von technischen Neuerungen in Produkte. Die Beschaffung eines Bauelements mit einer geeignet strukturierten Bodenplatte kann somit nur beim Hersteller des Bauelements mit erhöhtem Kostenaufwand erfolgen.Structured base plates for direct So far, liquid cooling is only economically viable large quantities can be used. For applications with less Number of pieces there is often a demand for the use of Standard components. The reasons for this lie in one less variety of spare parts to be stocked as well the possibility of faster implementation of technical Innovations in products. The procurement of a component with A suitably structured base plate can only be used for Manufacturer of the component with increased costs respectively.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ertüchtigen einer unstrukturierten Bodenplatte eines elektronisches Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung anzugeben, wozu ein Standard-Bauelement, welches nicht unmittelbar für den flüssiggekühlten Einsatz vorgesehen ist, verwendet wird. Außerdem soll ein elektronisches Bauelement mit einer so ertüchtigten Bodenplatte angegeben werden.The invention is therefore based on the object of a method for strengthening an unstructured base plate of a electronic component for use in a Specify liquid cooling, which is a standard component, which is not immediately for liquid-cooled use is provided is used. In addition, a electronic component with such a strengthened Base plate can be specified.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ertüchtigen einer unstrukturierten Bodenplatte eines elektronischen Bauelements für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung, wobei gemäß der Erfindung die Bodenplatte auf der der Elektronik abgewandten Seite nachträglich mit einer gegenständlichen Struktur zur Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche aus zusätzlichem Material versehen wird.The first-mentioned task is solved by a method for Upgrading an unstructured floor slab electronic component for use in a Liquid cooling, the bottom plate according to the invention the side facing away from the electronics with a objective structure to enlarge the heat-dissipating surface made of additional material becomes.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Bauelement, das mit einer so ertüchtigten Bodenplatte hergestellt wird.The second task is solved by an electronic one Component that with such a strengthened base plate will be produced.
Die Lösung betrifft eine nachträgliche Modifikation eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines Standard- Hochleistungs-Halbleitermoduls zum Zwecke der Intensivierung der Kühlung, also der Steigerung der abführbaren Verlustwärmemenge pro Zeiteinheit. Ebenso betrifft die Lösung die Herstellung eines Bauelements, bei dem die erfindungsgemäß ausgeführte Bodenplatte als Halbzeug Verwendung findet.The solution concerns a subsequent modification of a electronic component, for example a standard High-performance semiconductor module for the purpose of intensification the cooling, that is, the increase in the dissipatable Amount of heat lost per unit of time. The solution also applies the manufacture of a component in which the invention executed base plate is used as a semi-finished product.
Der Kunde hat somit beispielsweise die Möglichkeit, ein bereits vorhandenes Bauelement selbst für den flüssiggekühlten Einsatz zu ertüchtigen. Das Spektrum der einzusetzenden Bauelemente wird somit deutlich erhöht. Die Beschränkung auf die auf dem Markt bereits vorhandenen für Flüssigkühlung vorgesehenen Bauelemente entfällt.The customer thus has the option of, for example existing component even for the liquid-cooled Strengthen commitment. The spectrum of those to be used Components are thus significantly increased. The restriction on those already available on the market for liquid cooling provided components is omitted.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in the Sub-claims reproduced.
Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in der Figur näher erläutert, wobei die Figur ein elektronisches Bauelement mit einer für eine Flüssigkühlung ertüchtigten Bodenplatte im Querschnitt in schematischer Darstellung zeigt.The invention is based on several embodiments in the Figure explained in more detail, the figure being an electronic Component with a liquid cooling system Bottom plate in cross section in a schematic representation.
Das in der Figur dargestellte elektronische Bauelement 2 umfaßt eine ebene Bodenplatte 4. Die Bodenplatte 4 ist auf der der Elektronik 6 abgewandten Seite mit einer gegenständlichen Struktur 8 aus zusätzlichem Material zur Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche versehen.The electronic component 2 shown in the figure comprises a flat base plate 4 . The base plate 4 is provided on the side facing away from the electronics 6 with a physical structure 8 made of additional material to enlarge the heat-dissipating surface.
Im Verfahren zum Ertüchtigen der ebenen Bodenplatte 4 des Bauelements 2 für den Einsatz bei einer Flüssigkühlung, wird die Bodenplatte 4 auf der der Elektronik 6 abgewandten Seite nachträglich mit der gegenständlichen Struktur 8 versehen, d. h. daß die zusätzliche Struktur 8 auf die bereits gefertigte Bodenplatte 4 aufgebracht wird. Die Bodenplatte 4 mit der Struktur ist somit nicht aus einem Stück gefertigt. Der Übergangsbereich zwischen Bodenplatte 4 und Struktur 8 ist in der Praxis deutlich zu erkennen.In the process for upgrading the flat base plate 4 of the component 2 for use in liquid cooling, the base plate 4 is subsequently provided with the object structure 8 on the side facing away from the electronics 6 , ie the additional structure 8 is applied to the base plate 4 which has already been produced becomes. The base plate 4 with the structure is therefore not made from one piece. The transition area between base plate 4 and structure 8 can be clearly recognized in practice.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 2 ein Leistungshalbleitermodul. Die Struktur 8 besteht aus einer vorgegebenen Anzahl von Zapfen aus Aluminium. Die Zapfen weisen bevorzugt einen runden und/oder eckigen Querschnitt auf, können aber auch einen beliebigen anderen Querschnitt haben.In this exemplary embodiment, component 2 is a power semiconductor module. The structure 8 consists of a predetermined number of pins made of aluminum. The pins preferably have a round and / or angular cross section, but can also have any other cross section.
In weiteren nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Struktur ein beliebig anderes Profil auf. Das Profil muß lediglich so gewählt werden, daß die wärmeabführende Oberfläche vergrößert und die turbulente Strömung des Kühlmittels begünstigt wird.In further exemplary embodiments that are not further illustrated the structure has any other profile. The profile must only be chosen so that the heat-dissipating Surface area and the turbulent flow of the Coolant is favored.
Die Zapfen können Standard- oder Normteile sein, die z. B. durch Reibschweißen oder einem anderen Verfahren mit geringem Energieeintrag und unter Beibehaltung einer hohen Wärmeleitfähigkeit an der Bodenplatte 4 befestigt sind. Als weitere Befestigungsverfahren sind unter anderem Schweißverfahren, Lötverfahren und Klebeverfahren bevorzugt einsetzbar.The pins can be standard or standard parts, the z. B. are attached to the base plate 4 by friction welding or another method with low energy input and while maintaining a high thermal conductivity. Welding, soldering and adhesive processes, among others, can preferably be used as further fastening processes.
Das so ausgestattete Leistungshalbleitermodul wird in einem offenen Kühlmittelverteiler 10 angeordnet, wobei die Abdichtung des Kühlmittelverteilers durch den Rand der Bodenplatte 4 mit Dichtungen 12 und Befestigungsschrauben 14 erfolgt. Die an der Bodenplatte 4 angebrachten Zapfen reichen dabei bis zum Kühlmittelverteilerboden 16, um eine gute Anströmung der Zapfenstruktur mit dem Kühlmittel zu erreichen.The power semiconductor module equipped in this way is arranged in an open coolant distributor 10 , the coolant distributor being sealed by the edge of the base plate 4 with seals 12 and fastening screws 14 . The pegs attached to the base plate 4 extend to the coolant distributor base 16 in order to achieve a good flow of coolant to the peg structure.
Um bei ausreichender Zuverlässigkeit zu einer deutlichen Steigerung der abführbaren Verlustleistungen zu gelangen, werden für die nachträgliche Ausrüstung mit einer Zapfenstruktur vorzugsweise solche Leistungshalbleitermodule verwendet, die eine Bodenplatte 4 aus dem Werkstoff Aluminium/Siliziumkarbid (Al/SiC) aufweisen. Al/SiC und der bei Modulen mit Al/SiC-Bodenplatten verwendete keramische Isolierwerkstoff Aluminiumnitrid (AlN) weisen ähnliche thermomechanische Längenausdehungskoeffizienten auf, so daß bei dieser Werkstoffkombination bei thermischer Wechsellastbeanspruchung besonders niedrige mechanische Spannungen auftreten. In order to achieve a significant increase in the dissipatable power losses with sufficient reliability, power semiconductor modules which have a base plate 4 made of aluminum / silicon carbide (Al / SiC) are preferably used for retrofitting with a peg structure. Al / SiC and the ceramic insulating material aluminum nitride (AlN) used in modules with Al / SiC base plates have similar thermomechanical coefficients of linear expansion, so that particularly low mechanical stresses occur with this combination of materials under alternating thermal load.
Das Verfahren kann bei einer Vielzahl zu kühlender Bauelemente angewendet werden, insbesondere auch bei Widerständen und Drosseln. Bei Sensoren ist dieses Verfahren ebenfalls anwendbar. Das Verfahren erweist sich als besonders flexibel und vielseitig einsetzbar, da nahezu alle zu kühlenden Bauelemente hierfür nachträglich ertüchtigt bzw. nachgerüstet werden können. Ebenso entstehen dadurch erhebliche Kosteneinsparungen, beispielsweise durch Masseeinsparungen bei den zu verwendenden Komponenten. Das Verfahren kann in der Regel vom Nutzer des Bauelements selber durchgeführt oder auswärtig zur Bearbeitung in Auftrag gegeben werden. Ebenso ist es möglich, bereits bei der Herstellung eines für die Flüssigkühlung vorgesehenen Bauelements eine nach diesem Verfahren aus mehreren Teilen gefügte Bodenplatte zu verwenden.The method can be used for a large number of components to be cooled are used, in particular also with resistors and Chokes. This procedure is also used for sensors applicable. The process proves to be particularly flexible and versatile, because almost all of them have to be cooled Components for this retrofitted or upgraded can be. This also creates significant Cost savings, for example through mass savings the components to be used. The process can be done in the Rule carried out by the user of the component himself or be commissioned from outside for processing. As well it is possible to already manufacture one for the Liquid cooling provided component one after this Process from several parts added base plate use.
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