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DE102016218451A1 - Power electronic circuit and method for its production - Google Patents

Power electronic circuit and method for its production Download PDF

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Publication number
DE102016218451A1
DE102016218451A1 DE102016218451.2A DE102016218451A DE102016218451A1 DE 102016218451 A1 DE102016218451 A1 DE 102016218451A1 DE 102016218451 A DE102016218451 A DE 102016218451A DE 102016218451 A1 DE102016218451 A1 DE 102016218451A1
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DE
Germany
Prior art keywords
heat sink
power electronic
electrically conductive
conductive layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102016218451.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Manuel Blum
Marek Galek
Martin Schulz
Julian Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102016218451.2A priority Critical patent/DE102016218451A1/en
Publication of DE102016218451A1 publication Critical patent/DE102016218451A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schaltung, bei dem – ein Kühlkörper (11) durch Strangpressung hergestellt wird, – eine Isolationsschicht (12, 21) auf wenigstens eine erste Oberfläche des Kühlkörpers (11) aufgebracht wird, – eine elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) auf die Isolationsschicht (12, 21) aufgebracht wird, – wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil (14, 15, 23, 24) auf die elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) aufgebracht wird.The invention relates to a method for producing a power electronic circuit in which - a heat sink (11) is produced by extrusion, - an insulation layer (12, 21) is applied to at least a first surface of the heat sink (11), - an electrically conductive layer (13, 22) is applied to the insulating layer (12, 21), - at least one power electronic component (14, 15, 23, 24) is applied to the electrically conductive layer (13, 22).

Description

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schaltung. The invention relates to a power electronic circuit and a method for producing a power electronic circuit.

Elektrische Wandler wie beispielsweise Wechselrichter bestehen aus Sicht des Leistungsteils im Wesentlichen aus Leistungsschaltern, einem Zwischenkreiskondensator sowie einem Kühlkörper. Da bei größeren Leistungen der Strom nicht mehr wirtschaftlich über die Leiterplatte geführt werden kann, kommen bei den Leistungsschaltern anstatt diskreter Transistoren typischerweise komplette Leistungsmodule mit integrierten Lastanschlüssen zum Einsatz. Zur Entwärmung werden die Leistungsmodule auf dem Kühlkörper montiert, der die Verlustleistung dort mittels eines Kühlmediums, häufig Wasser, abführt. Da sich die Leistungsmodule wiederum aus wirtschaftlichen Gründen nicht an die genauen Randbedingungen anpassen lassen, werden sie oft überdimensioniert oder verwenden ein nicht-optimales Design. Auch beim Kühler schränkt die begrenzte Auswahl die Entwicklung stark ein. Electrical converters such as inverters consist essentially of circuit breakers, an intermediate circuit capacitor and a heat sink, from the perspective of the power unit. Since the current can no longer be economically routed through the printed circuit board for larger outputs, the circuit breakers typically use complete power modules with integrated load connections instead of discrete transistors. For cooling, the power modules are mounted on the heat sink, which dissipates the power loss there by means of a cooling medium, often water. Again, because of economic reasons, the power modules can not be adapted to the exact boundary conditions, they are often oversized or use a non-optimal design. Even with the cooler, the limited choice greatly restricts the development.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte leistungselektronische Schaltung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, mit der die eingangs genannten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung ist eine leistungselektronische Schaltung mit Merkmalen von Anspruch 10. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der leistungselektronischen Schaltung. It is an object of the present invention to provide an improved power electronic circuit and a method for their production, with which the disadvantages mentioned are avoided. This object is achieved by a method having the features of claim 1. Another solution is a power electronic circuit with features of claim 10. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the power electronic circuit.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schaltung wird ein Kühlkörper durch Strangpressung hergestellt, eine Isolationsschicht auf wenigstens eine erste Oberfläche des Kühlkörpers aufgebracht, eine elektrisch leitfähige Schicht auf die Isolationsschicht aufgebracht und wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil auf die elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. In the method according to the invention for producing a power electronic circuit, a heat sink is produced by extrusion, an insulation layer is applied to at least a first surface of the heat sink, an electrically conductive layer is applied to the insulation layer, and at least one power electronic component is applied to the electrically conductive layer.

Die erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltung umfasst wenigstens ein leistungselektronisches Halbleiterbauelement, das auf einer elektrisch leitfähigen Schicht aufgebracht ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht auf einer Isolationsschicht angeordnet ist und die Isolationsschicht auf einem Kühlkörper angeordnet ist, wobei der Kühlkörper ein mittels Strangpressung hergestelltes Bauteil ist. The power electronic circuit according to the invention comprises at least one power electronic semiconductor component, which is applied to an electrically conductive layer, wherein the electrically conductive layer is disposed on an insulating layer and the insulating layer is disposed on a heat sink, wherein the heat sink is a manufactured by extrusion component.

Durch die Verwendung von IMS-Leiterpatten (Insulated Metal Substrate) können auch bei höheren Leistungen Standardbauelemente verwendet werden, da trotz der guten Wärmeleitfähigkeit nahezu alle Freiheitsgrade von Standardleiterplatten erhalten bleiben. Auf dieser Basis können optimierte Leistungsteile entwickelt werden die es erlauben, die Preisvorteile des Massenmarktes auch im Hochleistungsbereich zu verwenden. By using IMS Insulated Metal Substrates (PCBs) standard components can be used even at higher outputs, because despite the good thermal conductivity almost all degrees of freedom of standard PCBs are preserved. On this basis optimized power parts can be developed which allow to use the price advantages of the mass market also in the high performance range.

Da IMS-Leiterplatten auch auf Aluminium-Basis aufgebaut werden, ist es vorteilhaft, den IMS-Prozess selbst direkt auf einem Kühler anzuwenden. Hierdurch werden unnötige thermische Übergänge und die zusätzliche Montage von Kühler und Modul eingespart. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden so die thermischen Übergänge auf ein Minimum reduziert und der Aufbau des Kühlers drastisch vereinfacht. Since IMS circuit boards are also built on an aluminum basis, it is advantageous to apply the IMS process itself directly to a cooler. This saves unnecessary thermal transitions and the additional installation of cooler and module. In contrast to the prior art, the thermal transitions are reduced to a minimum and drastically simplifies the construction of the cooler.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass mittels der Strangpressung der Kühlkörper sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist. For the invention it was recognized that by means of the extrusion of the heat sink is very easy and inexpensive to produce.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

  • – Der Kühlkörper kann aus einem Aluminium aufweisenden Material, insbesondere aus Aluminium, hergestellt werden. Aluminium ist leicht, günstig und gut mittels Strangpressung formbar.
  • – Alternativ kann der Kühlkörper aus einem Kupfer oder Magnesium aufweisenden Material, insbesondere aus Kupfer oder Magnesium, hergestellt werden.
  • – Es kann eine weitere Isolationsschicht auf eine zweite Oberfläche des Kühlkörpers, die von der ersten Oberfläche verschieden ist, aufgebracht werden und eine weitere elektrisch leitfähige Schicht auf die weitere Isolationsschicht aufgebracht werden. Ferner wird wenigstens ein weiteres leistungselektronisches Bauteil auf die weitere elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Es wird mit anderen Worten eine weitere Oberfläche des Kühlkörpers für den leistungselektronischen Schaltungsaufbau verwendet. Vorteilhaft steht also mehr Fläche für die Elektronik zur Verfügung.
  • – Dabei können die zweite und erste Oberfläche des Kühlkörpers einander entgegengesetzte Oberflächen sein. Somit wird der Kühlkörper also vorder- und rückseitig mit elektronischen Aufbauten versehen. Die doppelseitige Ausnutzung des Kühlkörpers ist besonders einfach möglich, da die Bauelemente nicht auf den Kühler „gepresst“ werden müssen.
  • – Der Kühlkörper kann auch so geformt sein, dass er mehr als zwei nutzbare Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann der Kühlkörper als Vierkantrohr mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt geformt sein. In diesem Fall weist der Kühlkörper vier nutzbare Oberflächen auf, von denen eine, zwei, drei oder vier Oberfläche für leistungselektronische Aufbauten verwendet werden können. Jede der Oberflächen, die verwendet wird, wird mit einer Isolationsschicht versehen und mit einem oder mehreren leistungselektronischen Bauteilen.
  • – Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkörper bei der Strangpressung so geformt wird, dass er einen oder mehrere Kühlkanäle zur Leitung eines Kühlmediums aufweist. Dadurch ist eine besonders einfache Anbindung der Wärmeabführung mittels beispielsweise Wasser möglich, da die Kühlkanäle bereits bei der Fertigung des Kühlkörpers mitgeformt werden.
  • – Alternativ oder zusätzlich zu den Kühlkanälen kann der Kühlkörper bei der Strangpressung so geformt werden, dass er Kühlrippen aufweist. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr weiter verbessert.
Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can additionally be provided for the current transformer:
  • - The heat sink can be made of an aluminum-containing material, in particular aluminum. Aluminum is light, cheap and well moldable by extrusion.
  • - Alternatively, the heat sink can be made of a copper or magnesium-containing material, in particular copper or magnesium.
  • It is possible to apply a further insulation layer to a second surface of the heat sink, which differs from the first surface, and to apply a further electrically conductive layer to the further insulation layer. Furthermore, at least one further power electronic component is applied to the further electrically conductive layer. In other words, another surface of the heat sink is used for power electronic circuitry. Advantageously, more space is available for the electronics.
  • - In this case, the second and first surface of the heat sink may be opposite surfaces. Thus, the heat sink is therefore front and back provided with electronic structures. The double-sided utilization of the heat sink is particularly easy, since the components do not have to be "pressed" on the radiator.
  • The heat sink may also be shaped to have more than two usable surfaces. For example, the heat sink can be shaped as a square tube with a substantially square cross-section. In this case, the heat sink has four usable surfaces, of which one, two, three or four surfaces can be used for power electronic assemblies. Each of the surfaces used is provided with an insulating layer and with one or more power electronic components.
  • It is particularly advantageous if the heat sink is formed during extrusion in such a way that it has one or more cooling channels for conducting a cooling medium. As a result, a particularly simple connection of the heat dissipation by means of, for example, water is possible since the cooling channels are already formed during the production of the heat sink.
  • - Alternatively or in addition to the cooling channels, the heat sink can be formed in the extrusion so that it has cooling fins. As a result, the heat dissipation is further improved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromwandlers gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen Further advantageous embodiments of the current transformer will be apparent from the sub-claims not mentioned above. The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to the drawings. In each case in a schematic form A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing. The features are shown schematically. Show it

1 einen einseitigen leistungselektronischen Aufbau, 1 a one-sided power electronic construction,

2 einen zweiseitigen leistungselektronischen Aufbau. 2 a two-sided power electronic construction.

1 zeigt einen einseitigen leistungselektronischen Aufbau 10 im Querschnitt. Der Aufbau basiert auf einem in Strangpressung hergestellten Kühlkörper 11 aus Aluminium. Der Kühlkörper 11 ist im Wesentlichen quaderförmig gestaltet. Der Kühlkörper 11 weist weiterhin durchgehende geradlinige röhrenförmige Kühlkanäle 110 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt auf. Die Kühlkanäle 110 können in anderen Ausführungsformen aber auch andere Querschnitte aufweisen. Der Kühlkörper 11 ist im vorliegenden Beispiel einstückig angefertigt, also nicht aus mehreren Elementen zusammengesetzt. 1 shows a one-sided power electronic design 10 in cross section. The structure is based on an extruded heat sink 11 made of aluminium. The heat sink 11 is designed essentially cuboid. The heat sink 11 further comprises continuous rectilinear tubular cooling channels 110 having a substantially rectangular cross section. The cooling channels 110 However, in other embodiments may also have other cross-sections. The heat sink 11 is made in one piece in the present example, that is not composed of several elements.

Auf einer Oberseite des Kühlkörpers 11 ist eine Isolationsschicht 12 angeordnet. Diese ist beispielsweise auflaminiert, aufgesputtert oder per Klebeverbindung aufgebracht. On a top of the heat sink 11 is an insulation layer 12 arranged. This is for example laminated, sputtered or applied by adhesive bonding.

Auf der Isolationsschicht 12 ist eine metallische Schicht 13 angeordnet, die zur Erstellung geeigneter Leiterbahnen strukturiert ist. Die Leiterbahnen sind dadurch teilweise voneinander isoliert und im Querschnitt der 1 nur als getrennte Stücke erkennbar. Die metallische 13 Schicht besteht in diesem Beispiel aus Kupfer. On the insulation layer 12 is a metallic layer 13 arranged, which is structured to create suitable tracks. The interconnects are thereby partially isolated from each other and in cross-section of 1 only recognizable as separate pieces. The metallic one 13 Layer consists in this example of copper.

Auf der metallischen Schicht 13 sind zwei fertig gehäuste leistungselektronische Standardbauteile 14, 15 angeordnet. Die Standardbauteile 14, 15 weisen einerseits eine direkte elektrische Verbindung zu der unterliegenden metallischen Schicht 13 auf, andererseits aber auch weitere Verbindungen, beispielsweise in Form von Bonddrahtverbindungen 16 zu weiteren Teilen der metallischen Schicht 13. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei den Standardbauteilen 14, 15 um IGBTs. Die beiden Standardbauteile 14, 15 bilden zusammen eine Halbbrücke. On the metallic layer 13 are two pre-packaged power electronic standard components 14 . 15 arranged. The standard components 14 . 15 on the one hand have a direct electrical connection to the underlying metallic layer 13 on the other hand, but also other compounds, for example in the form of bonding wire connections 16 to further parts of the metallic layer 13 , In this example, the standard parts are 14 . 15 around IGBTs. The two standard components 14 . 15 together form a half bridge.

2 zeigt einen doppelseitigen leistungselektronischen Aufbau. Der Aufbau stimmt in weiten Teilen mit dem Aufbau gemäß 1 überein. Auf der Seite des Kühlkörpers 11, die von der metallischen Schicht 13 angewandt ist, ist im Beispiel gemäß 2 jedoch eine zweite Isolationsschicht 21 angeordnet. Diese wird analog zur Isolationsschicht 12 von einer zweiten metallischen Schicht 22 teilweise bedeckt. Die zweite metallische Schicht 22 ist strukturiert, um Leitungspfade zu schaffen, die voneinander elektrisch getrennt sind. 2 shows a double-sided power electronic design. The structure is largely in accordance with the structure according to 1 match. On the side of the heat sink 11 that of the metallic layer 13 is applied in the example according to 2 but a second insulation layer 21 arranged. This becomes analogous to the insulation layer 12 from a second metallic layer 22 partially covered. The second metallic layer 22 is structured to create conductive paths that are electrically isolated from each other.

Auf der zweiten metallischen Schicht 22 sind wiederum gehäuste leistungselektronische Standardbauteile 23, 24 angeordnet. Sie bilden einen weiteren Teil der leistungselektronischen Schaltung, die durch den Aufbau gemäß 2 dargestellt wird. On the second metallic layer 22 are in turn housed power electronic standard components 23 . 24 arranged. They form a further part of the power electronic circuit, which by the structure according to 2 is pictured.

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung einer leistungselektronischen Schaltung, bei dem – ein Kühlkörper (11) durch Strangpressung hergestellt wird, – eine Isolationsschicht (12, 21) auf wenigstens eine erste Oberfläche des Kühlkörpers (11) aufgebracht wird, – eine elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) auf die Isolationsschicht (12, 21) aufgebracht wird, – wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil (14, 15, 23, 24) auf die elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) aufgebracht wird. Method for producing a power electronic circuit, in which - a heat sink ( 11 ) is produced by extrusion, - an insulating layer ( 12 . 21 ) on at least a first surface of the heat sink ( 11 ), - an electrically conductive layer ( 13 . 22 ) on the insulation layer ( 12 . 21 ) is applied, - at least one power electronic component ( 14 . 15 . 23 . 24 ) on the electrically conductive layer ( 13 . 22 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kühlkörper (11) aus einem Aluminium aufweisenden Material, insbesondere aus Aluminium, hergestellt wird. Method according to Claim 1, in which the heat sink ( 11 ) is made of an aluminum-containing material, in particular aluminum. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kühlkörper (11) aus einem Kupfer oder Magnesium aufweisenden Material, insbesondere aus Kupfer oder Magnesium, hergestellt wird. Method according to Claim 1, in which the heat sink ( 11 ) made of a copper or magnesium containing material, in particular of copper or magnesium, is produced. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – eine weitere Isolationsschicht (21) auf eine zweite Oberfläche des Kühlkörpers (11), die von der ersten Oberfläche verschieden ist, aufgebracht wird, – eine weitere elektrisch leitfähige Schicht (22) auf die weitere Isolationsschicht (21) aufgebracht wird, – wenigstens ein weiteres leistungselektronisches Bauteil (23, 24) auf die weitere elektrisch leitfähige Schicht (22) aufgebracht wird. Method according to claim 1, in which - a further insulation layer ( 21 ) on a second surface of the heat sink ( 11 ), which is different from the first surface, is applied, - another electrically conductive layer ( 22 ) on the further insulation layer ( 21 ) is applied, - at least one further power electronic component ( 23 . 24 ) on the further electrically conductive layer ( 22 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die zweite und erste Oberfläche des Kühlkörpers (11) einander entgegengesetzte Oberflächen sind. The method of claim 4, wherein the second and first surfaces of the heat sink ( 11 ) are opposite surfaces. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (11) bei der Strangpressung so geformt wird, dass er einen oder mehrere Kühlkanäle (110) zur Leitung eines Kühlmediums aufweist. Method according to one of the preceding claims, in which the heat sink ( 11 ) is formed in the extrusion process so that it has one or more cooling channels ( 110 ) for conducting a cooling medium. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (11) bei der Strangpressung so geformt wird, dass er Kühlrippen aufweist. Method according to one of the preceding claims, in which the heat sink ( 11 ) is formed in the extrusion, so that it has cooling fins. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) eine Kupferschicht ist. Method according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive layer ( 13 . 22 ) is a copper layer. Leistungselektronische Schaltung mit wenigstens einem leistungselektronischen Halbleiterbauelement (14, 15, 23, 24), das auf einer elektrisch leitfähigen Schicht (13, 22) aufgebracht ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (13, 22) auf einer Isolationsschicht (12, 21) angeordnet ist, und die Isolationsschicht (12, 21) auf einem Kühlkörper (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (11) mittels Strangpressung hergestellt ist. Power electronic circuit having at least one power electronic semiconductor device ( 14 . 15 . 23 . 24 ) deposited on an electrically conductive layer ( 13 . 22 ), wherein the electrically conductive layer ( 13 . 22 ) on an insulating layer ( 12 . 21 ), and the insulating layer ( 12 . 21 ) on a heat sink ( 11 ), characterized in that the heat sink ( 11 ) is made by extrusion.
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