DE102023131882A1 - Cooling arrangement, electronic assembly, electrical power converter and method for assembling the same - Google Patents
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Abstract
Kühlanordnung (7) zur Kühlung einer elektrischen Einheit (10), wobei die Kühlanordnung aufweist: einen Kühlkörper (5), ein Substrat (6), wobei der Kühlkörper aufweist: einen Kühlkanal (35), der in einer vorgesehenen Flussrichtung von Kühlmittel durchströmbar ist, eine Kühlwand (50) an der der zu kühlenden elektrischen Einheit (10) zugewandten Seite des Kühlkanals, wobei das Substrat formschlüssig mit dem Kühlkörper an der Kühlwand verbunden ist, und ausgelegt ist, dass auf seiner dem Kühlkörper abgewandten Seite die elektrische Einheit mechanisch fest verbunden werden kann, wobei die Kühlanordnung ausgelegt ist, dass im Betrieb das Kühlmittel mit einem vorgegebenem Betriebsdruck, der über dem Umgebungsdruck liegt, der am Substrat auf der Seite der zu kühlenden elektrischen Einheit anliegt, durch den Kühlkanal geführt wird, und wobei ein Abstand (D) zwischen Kühlkanal (35) und Kühlwand (50) so klein gewählt ist, dass der Kühlkörper ohne das formschlüssig mit ihm verbundene Substrat bei dem vorgegebenen Betriebsdruck keine ausreichende Form-Stabilität und/oder Dichtheit sicherstellen kann, und das Substrat und dessen formschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper an der Kühlwand so ausgelegt ist, dass die Kühlanordnung diese ausreichende Form-Stabilität und Dichtheit sicherstellen kann, und wobei der Kühlkörper monolithisch aufgebaut ist. Offenbart ist auch eine Elektronikbaugruppe mit einer solchen Kühlanordnung, ein elektrischer Leistungsumwandler mit einer solchen Elektronikbaugruppe und Verfahren zu dem Zusammenbau dieser Vorrichtungen. Cooling arrangement (7) for cooling an electrical unit (10), wherein the cooling arrangement comprises: a heat sink (5), a substrate (6), wherein the heat sink comprises: a cooling channel (35) through which coolant can flow in a predetermined flow direction, a cooling wall (50) on the side of the cooling channel facing the electrical unit (10) to be cooled, wherein the substrate is positively connected to the heat sink on the cooling wall and is designed such that the electrical unit can be mechanically firmly connected on its side facing away from the heat sink, wherein the cooling arrangement is designed such that, during operation, the coolant is guided through the cooling channel at a predetermined operating pressure which is above the ambient pressure applied to the substrate on the side of the electrical unit to be cooled, and wherein a distance (D) between the cooling channel (35) and the cooling wall (50) is selected to be so small that the heat sink cannot ensure sufficient dimensional stability and/or tightness at the predetermined operating pressure without the substrate positively connected to it, and the substrate and its The positive connection with the heat sink on the cooling wall is designed such that the cooling arrangement can ensure this sufficient dimensional stability and tightness, and the heat sink is of monolithic construction. Also disclosed are an electronic assembly with such a cooling arrangement, an electrical power converter with such an electronic assembly, and methods for assembling these devices.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung einer elektrischen Einheit, eine Elektronikbaugruppe, einen elektrischen Leistungsumwandler für eine Industrieprozessanordnung, vorzugsweise Plasmaprozessanordnung oder Erwärmungsanordnung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer solchen Kühlanordnung, Elektronikbaugruppe und eines solchen elektrischen Leistungsumwandlers.The invention relates to a cooling arrangement for cooling an electrical unit, an electronic assembly, and an electrical power converter for an industrial process arrangement, preferably a plasma process arrangement or heating arrangement. Furthermore, the invention relates to a method for assembling such a cooling arrangement, electronic assembly, and such an electrical power converter.
Die Erfindung liegt im Feld der elektrischen Leistungsumwandlung für spezielle leistungsintensive und zu Instabilitäten neigende Industrieprozesse, wie z.B. Plasmaanregung, Plasmabeschichtungsprozesse, Gaslaseranregung, Teilchenbeschleuniger, Lade- und Entladegeräte für Großbatterien, wie z.B. Flow-Batterien, Schmelzen von Festkörpern, Erwärmen und/oder Vergasen von flüssigen Stoffen durch z: B. Mikrowellenenergie oder Induktionserwärmung, oder Plasmabrennern. Das kann ein Prozess zur Erzeugung von Strahlung, z.B. Mikrowellenstrahlung, Röntgenstrahlung oder Teilchenbeschleunigern sein. All diesen Prozessen gemein ist, dass sie ausgelegt sind zum Generieren und Beschleunigen von geladenen atomaren Teilen in einer Gas- und/oder Plasmaumgebung oder Flüssigkeit. All diesen Prozessen ist weiterhin gemein, dass sie eine große Leistungsaufnahme aufweisen, die im Bereich von 1 kW oder mehr, insbesondere 10 kW oder mehr, bevorzugt 100 kW oder mehr liegt. Dabei werden für den genannten Leistungsbereich intern oder auch für externe Anwendungen Frequenzen ≥ 20 kHz, bevorzugt ≥ 200 kHz insbesondere ≥ 2 MHz erzeugt. Viele dieser Prozesse weisen zudem eine sehr hohe Anforderung an die Stabilität der Leistungsbereitstellung auf, weil die Prozesse hochkomplex sind, wie z.B. die Halbleiterherstellung mittels Plasmaprozessen und/oder Erwärmung durch elektromagnetische Felder. Üblicherweise wird hierfür Leistung von einer Netzfrequenz, die im Bereich von ca. 50 Hz bis 60 Hz liegt, zu unterschiedlichen Frequenzen, die im oben genannten Bereich liegen können, gewandelt. Auch denkbar ist eine Umwandlung in Gleichstromleistung, auch genannt DC-Leistung. Auch bei Umwandlung in Gleichstromleistung wird intern oftmals in eine Frequenz im oben genannten Bereich für das Leistungssignal erzeugt, die dann gemäß den Anforderungen an Spannung, Strom, Leistung wieder gleichgerichtet wird. Für diese Umwandlung elektrischer Leistung in andere Frequenzen werden eine Vielzahl elektronischer Bauteile und Baugruppen benötigt, insbesondere aber Leistungshalbleiterbauelemente, wie z.B. Transistoren oder Dioden, insbesondere PIN-Dioden z.B. zum Schalten von HF-Leistung zwischen verschiedenen Pfaden, ausgelegt für Ströme ≥ 10 A und Spannungen ≥ 400 V. Diese elektronischen Bauteile und Baugruppen erzeugen im Betrieb Verlustwärme. Die Verlustwärme entsteht dabei oftmals auf einer sehr begrenzten Fläche von wenigen mm2, z.B. ≤ 8 mm2. Es stellt eine besondere Herausforderung dar, diese Verlustwärme abzuführen, um die Bauteile und/oder Baugruppen vor einer Zerstörung durch Überhitzung zu bewahren. Oftmals werden dafür sehr große und materialintensive Kühlkörper vorgesehen, deren Herstellung sehr kostspielig ist.The invention lies in the field of electrical power conversion for special power-intensive industrial processes prone to instability, such as plasma excitation, plasma coating processes, gas laser excitation, particle accelerators, charging and discharging devices for large batteries, such as flow batteries, melting of solids, heating and/or gasification of liquid substances using, for example, microwave energy or induction heating, or plasma torches. This can be a process for generating radiation, e.g. microwave radiation, X-rays or particle accelerators. What all these processes have in common is that they are designed to generate and accelerate charged atomic particles in a gas and/or plasma environment or liquid. What all these processes also have in common is that they have a high power consumption in the range of 1 kW or more, in particular 10 kW or more, preferably 100 kW or more. For the stated power range, frequencies ≥ 20 kHz, preferably ≥ 200 kHz, in particular ≥ 2 MHz, are generated internally or for external applications. Many of these processes also have very high requirements for the stability of the power supply because the processes are highly complex, such as semiconductor production using plasma processes and/or heating by electromagnetic fields. Typically, this involves converting power from a mains frequency in the range of approximately 50 Hz to 60 Hz to different frequencies that can be in the above-mentioned range. Conversion to direct current power, also known as DC power, is also conceivable. Even when converting to direct current power, a frequency in the above-mentioned range is often generated internally for the power signal, which is then rectified again according to the voltage, current and power requirements. This conversion of electrical power into other frequencies requires a large number of electronic components and assemblies, in particular power semiconductor components such as transistors or diodes, in particular PIN diodes, for example for switching RF power between different paths, designed for currents ≥ 10 A and voltages ≥ 400 V. These electronic components and assemblies generate heat losses during operation. The heat losses often arise in a very limited area of just a few mm 2 , e.g. ≤ 8 mm 2 . It is particularly challenging to dissipate this heat losses in order to protect the components and/or assemblies from destruction through overheating. Very large and material-intensive heat sinks are often provided for this purpose, and these are very expensive to manufacture.
Im Stand der Technik wird die Wärmemenge durch Kühlung mittels einer Kühlplatte abgeführt. Bei der Kühlung mit einer solchen konventionellen Kühlplatte wird der Wärmetransfer vom elektrischen Bauelement, das über eine Kupferschicht verfügen kann, zum Kühlmedium realisiert, indem ein Material, wie Wärmeleitpaste, in den Wärmeübergang zwischen zwei unterschiedlichen Materialien aufgebracht wird, wodurch die entstehende Wärme abgeführt wird. Dabei erweist sich solches Wärmeschnittstellenmaterial als nachteilig. Zum einen stellt es einen weiteren Wärmeübergang mit Wärmewiderstand dar, zum anderen unterliegt dieses einem Verschleiß, wodurch die Wirkung im Betrieb sukzessive verschlechtert wird. Ebenfalls wird die Fläche der Kühlplatte vergrößert oder die Anzahl und Leistungsfähigkeit der Bauelemente reduziert, um eine größere Menge Wärme abzuführen. Beide Optionen erweisen sich als nicht ausreichend. Da der Bauraum im Gehäuse einer solchen Stromversorgung begrenzt ist, ist eine Erweiterung der Kühlfläche nicht unbegrenzt möglich. Auch eine Reduzierung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Bauelemente ist nicht zielführend. Insgesamt entstehen durch die unzureichende Kühlung der elektrischen Bauelemente Kosten.In the prior art, the heat is dissipated by cooling using a cooling plate. When cooling with such a conventional cooling plate, the heat transfer from the electrical component, which may have a copper layer, to the cooling medium is achieved by applying a material such as thermal paste to the heat interface between two different materials, thereby dissipating the generated heat. However, such thermal interface material proves to be disadvantageous. On the one hand, it represents an additional heat transfer with thermal resistance, and on the other hand, it is subject to wear, which gradually deteriorates its effectiveness during operation. The surface area of the cooling plate is also increased, or the number and performance of the components are reduced in order to dissipate a greater amount of heat. Both options prove to be insufficient. Since the installation space in the housing of such a power supply is limited, expanding the cooling surface is not unlimited. Reducing the performance of the individual components is also not effective. Overall, inadequate cooling of the electrical components results in costs.
Ein besonders anspruchsvolles Gebiet kann ein Prozess zur Plasmaanregung, insbesondere Plasmaprozessbearbeitung, wie z.B. Beschichten, z.B. PVD, CVD, oder Ätzen, sein. Solche Prozesse werden in der Fertigung von Halbleitern wie z.B. Mikroprozessorbausteinen und/oder Speicherchips eingesetzt. Hier sind die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit und Prozesswiederholgenauigkeit besonders hoch. Zugleich sind die erforderlichen Leistungen ebenfalls sehr hoch. Außerdem sind die geforderten Ausgangsmodulationen, z.B. bei modernen elektrischen Leistungsumwandlern mit einer HF-Verstärkeranordnung oder gepulsten Hochspannungsversorgung mit Pulsformung, in letzter Zeit stetig gestiegen. Eine Anforderung für eine HF-Verstärkeranordnung kann z.B. die Fähigkeit sein, mit mehreren unterschiedlichen Leistungsleveln pulsbar zu sein, was Multi-Level-Pulsing (MLP) genannt wird. Eine weitere Anforderung für eine HF-Verstärkeranordnung kann z.B. die Fähigkeit sein, in der Frequenz verstellbar zu sein, und so z.B. auf Lastwechsel schnell reagieren zu können, was Auto-Frequency-Tuning (AFT) genannt wird. Eine weitere Anforderung kann z.B. die Fähigkeit sein, eine sehr hohe Gleichspannung , z.B. größer oder gleich 2 kV, insbesondere größer oder gleich 7 kV, gepulst zur Verfügung zu stellen, mit Pulsfrequenzen größer oder gleich 1 kHz, insbesondere größer oder gleich 10 kHz, besonders bevorzugt größer oder gleich 200 kHz. Mit all diesen Anforderungen steigt auch die Anforderung an Leistungshalbleiterbauelemente, die in der HF-Verstärkeranordnung verbaut sind, und für die Generierung der HF-Leistung eingesetzt werden. Insbesondere steigt auch die Anforderung an diese Bauelemente zur Umwandlung von Leistung, die in bestimmten Zuständen nicht an die Last abgegeben werden kann, in Wärme. Diese Verluste, die in Wärme umgewandelt werden, können in manchen Anwendungen ≥ 500 W, insbesondere ≥ 1 kW liegen. Diese Wärme muss von den Leistungshalbleiterbauelementen abgeführt werden, da diese sonst durch Überhitzung zerstört werden.A particularly demanding area can be a process for plasma excitation, especially plasma processing, such as coating, e.g., PVD, CVD, or etching. Such processes are used in the manufacture of semiconductors such as microprocessor components and/or memory chips. Here, the requirements for reliability, durability, and process repeatability are particularly high. At the same time, the required power levels are also very high. Furthermore, the required output modulations, e.g., in modern electrical power converters with an RF amplifier array or pulsed high-voltage power supplies with pulse shaping, have recently increased steadily. One requirement for an RF amplifier array may, for example, be the ability to be pulsed with several different power levels, which is called multi-level pulsing (MLP). Another requirement for an RF amplifier array may, for example, be the ability to be frequency-adjustable, thus enabling rapid response to load changes. to be able to do what is called auto-frequency tuning (AFT). A further requirement can be, for example, the ability to provide a very high DC voltage, e.g. greater than or equal to 2 kV, in particular greater than or equal to 7 kV, in pulsed form, with pulse frequencies greater than or equal to 1 kHz, in particular greater than or equal to 10 kHz, particularly preferably greater than or equal to 200 kHz. With all of these requirements, the demands on power semiconductor components that are installed in the RF amplifier arrangement and used to generate the RF power also increase. In particular, the demand on these components to convert power that cannot be delivered to the load in certain conditions into heat also increases. These losses that are converted into heat can be ≥ 500 W, in particular ≥ 1 kW in some applications. This heat must be dissipated by the power semiconductor components, as otherwise they will be destroyed by overheating.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung, eine Elektronikbaugruppe und einen elektrischen Leistungsumwandler zur Verfügung zu stellen, bei denen eine verbesserte thermische Kopplung zwischen dem Kühlkörper und einer zu kühlenden elektrischen Einheit ermöglicht wird.It is an object of the invention to provide a cooling arrangement, an electronic assembly and an electrical power converter in which an improved thermal coupling between the heat sink and an electrical unit to be cooled is made possible.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Kühlanordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in der Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Die Kühlanordnung ist ausgelegt zur Kühlung einer zu kühlenden elektrischen Einheit, bevorzugt einer Halbleiteranordnung, wobei die Kühlanordnung aufweist:
- a) einen Kühlkörper,
- b) ein Substrat,
- c) wobei der Kühlkörper aufweist:
- i) einen Kühlkanal, der in einer vorgesehenen Flussrichtung von Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, bevorzugt Kühlwasser, durchströmbar ist,
- ii) eine Kühlwand an der der zu kühlenden elektrischen Einheit zugewandten Seite des Kühlkanals,
- iii) und insbesondere auch eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelabführung, die beide mit dem Kühlkanal fluidisch verbunden sind, zur Zu- und Abführung des Kühlmittels,
- d) wobei das Substrat formschlüssig mit dem Kühlkörper an der Kühlwand verbunden ist, und ausgelegt ist, dass auf seiner dem Kühlkörper abgewandten Seite die elektrische Einheit mechanisch fest verbunden werden kann,
- e) wobei die Kühlanordnung ausgelegt ist, dass im Betrieb das Kühlmittel mit einem vorgegebenem Betriebsdruck, der über dem Umgebungsdruck liegt, der am Substrat auf der Seite der zu kühlenden elektrischen Einheit anliegt, durch den Kühlkanal geführt wird, und wobei
- f) ein Abstand zwischen Kühlkanal und Kühlwand so klein gewählt ist, dass der Kühlkörper ohne das formschlüssig mit ihm verbundene Substrat bei dem vorgegebenen Betriebsdruck keine ausreichende Form-Stabilität und/oder Dichtheit sicherstellen kann, und
- g) das Substrat und dessen formschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper an der Kühlwand so ausgelegt ist, dass die Kühlanordnung diese ausreichende Form-Stabilität und Dichtheit sicherstellen kann, und
- h) der Kühlkörper monolithisch aufgebaut ist.
- a) a heat sink,
- b) a substrate,
- c) wherein the heat sink comprises:
- i) a cooling channel through which coolant, in particular cooling liquid, preferably cooling water, can flow in a predetermined flow direction,
- ii) a cooling wall on the side of the cooling channel facing the electrical unit to be cooled,
- iii) and in particular also a coolant supply and a coolant discharge, both of which are fluidically connected to the cooling channel, for supplying and discharging the coolant,
- d) wherein the substrate is positively connected to the heat sink on the cooling wall and is designed so that the electrical unit can be mechanically firmly connected on its side facing away from the heat sink,
- e) wherein the cooling arrangement is designed such that, during operation, the coolant is guided through the cooling channel at a predetermined operating pressure which is above the ambient pressure applied to the substrate on the side of the electrical unit to be cooled, and wherein
- f) a distance between the cooling channel and the cooling wall is chosen so small that the heat sink cannot ensure sufficient dimensional stability and/or tightness at the specified operating pressure without the substrate positively connected to it, and
- g) the substrate and its positive connection with the heat sink on the cooling wall is designed in such a way that the cooling arrangement can ensure this sufficient dimensional stability and tightness, and
- h) the heat sink is monolithic.
Der Abstand zwischen Kühlkanal und Kühlwand ist die kürzeste Strecke zwischen Kühlwand und Innenseite des Kühlkanals.The distance between the cooling channel and the cooling wall is the shortest distance between the cooling wall and the inside of the cooling channel.
„Monolithisch“ aufgebaut bedeutet hier: „aus einem homogenen Material aufgebaut“. Das kann bedeuten „aus einem einzigen Element" aufgebaut, z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Das ist aber nicht zwingend. Es kann auch eine Metalllegierung gemeint sein, also ein Metall aufweisend andere Metalle oder andere Elemente. Es gibt unterschiedliche Verfahren, um einen Kühlkörper mit Kühlkanälen monolithisch aufzubauen. Dies kann z.B. durch ein additives Fertigungsverfahren erfolgen, wie dies z.B. in
Eine alternative Herstellung eines monolithischen Kühlkörpers ist z.B. in
Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung bzw. die Anfertigung derart, dass nach dem Aufeinanderfügen der Schichten abgeschlossene Kanäle entstehen, durch die ein Kühlmedium strömen kann. Bevorzugt werden die Metallfolien durch ein Bonding-Verfahren unter hohem Druck und bei hoher Temperatur miteinander verbunden. Dazu können an den Oberflächen der Kupferschichten z.B. Oxidschichten ausgebildet sein, die anschließend miteinander verschweißt werden, wobei die Temperatur vorzugsweise so hoch gewählt wird, dass die Oxidschichten aufschmelzen, die Metallfolien aber nicht. So verbinden sich die Metallfolien zu einem monolithischen Kühlkörper. Wenn die Metallfolien z.B. aus Kupfer sind, spricht man hier auch vom „direct-copper-bonding“, abgekürzt „DCB“.The structuring or manufacturing is preferably carried out in such a way that, after the layers have been joined together, closed channels are created through which a cooling medium can flow. The metal foils are preferably bonded together using a bonding process under high pressure and at high temperatures. For this purpose, oxide layers, for example, can be formed on the surfaces of the copper layers, which are then welded together, with the temperature preferably being selected high enough that the oxide layers melt but the metal foils do not. In this way, the metal foils bond to form a monolithic heat sink. If the metal foils are made of copper, for example, this is also referred to as "direct copper bonding," abbreviated to "DCB."
Die Metallfolien weisen bevorzugt eine Dicke von 0,4 mm oder weniger, insbesondere von 0,25 mm oder weniger, auf.The metal foils preferably have a thickness of 0.4 mm or less, in particular 0.25 mm or less.
Damit kann die Entwärmung sehr effektiv erfolgen.This allows for very effective heat dissipation.
Auch der Abstand zwischen Kühlkanal und Kühlwand kann durch eine solche Folie realisiert sein. Er kann demnach auch eine Dicke von 0,4 mm oder weniger, insbesondere von 0,25 mm oder weniger aufweisen.The gap between the cooling channel and the cooling wall can also be realized with such a film. It can therefore have a thickness of 0.4 mm or less, in particular 0.25 mm or less.
Damit kann die Entwärmung besonders effektiv erfolgen.This allows for particularly effective heat dissipation.
Bevorzugt werden alle Schichten, also sowohl das Substrat mit der Metallfolie als auch Metallfolien miteinander in einem Prozess verbunden.Preferably, all layers, i.e. both the substrate with the metal foil and metal foils are bonded together in one process.
Besonders bevorzugt geschieht dies auf beiden Seiten des Substrats.This is particularly preferably done on both sides of the substrate.
Bevorzugt besteht der Kühlkörper aus Kupfer. Kupfer weist sehr gute Wärmeleiteigenschaften und elektrische Leitfähigkeit auf. Nachteilig sind die hohen Kosten, insbesondere bei der additiven Fertigung, das Gewicht und die Diffusion von Kupfer in die Umgebung. Die Nachteile konnten aber dadurch überwunden oder ausgeglichen werden, dass diese Kühlkörperanordnung die elektrische Einheit viel effektiver entwärmen kann als alle bekannten Kühlkörperanordnungen. Damit kann sie ein um mehr als den Faktor 3 kleineres Volumen aufweisen als herkömmliche Kühlkörperanordnungen. Damit können Kosten bei der Herstellung mehr als ausgeglichen werden.The heat sink is preferably made of copper. Copper exhibits very good thermal and electrical conductivity. Disadvantages include the high cost, especially in additive manufacturing, the weight, and the diffusion of copper into the environment. However, these disadvantages can be overcome or offset by the fact that this heat sink arrangement can dissipate heat from the electrical unit much more effectively than all known heat sink arrangements. This allows it to have a volume more than three times smaller than conventional heat sink arrangements. This more than offsets the manufacturing costs.
Eine Kühlkanalstruktur ist vorteilhaft, da hiermit die Kühlung gezielt an die besonders zu entwärmenden Stellen des Kühlkörpers geführt werden kann.A cooling channel structure is advantageous because it allows the cooling to be directed specifically to the areas of the heat sink that require particular cooling.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Substrat und dessen formschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper an der Kühlwand so auszulegen, dass die Kühlanordnung die ausreichende Form-Stabilität und Dichtheit sicherstellen kann. Das Substrat kann eine gewisse durchgehende Mindestdicke aufweisen. Das Substrat kann an den Stellen, an denen der Abstand des Kühlkanals zum Substrat besonders dünn ist, dicker ausgeführt sein, um nur hier die Stabilität sicherzustellen. Die Form-Stabilität des Substrats ist aber nur ein Parameter. Es kommt auch auf die Festigkeit der formschlüssigen Verbindung des Substrats mit dem Kühlkörper an. Je stabiler diese ausgelegt werden kann, je dünner kann das Substrat gestaltet werden.There are several ways to design the substrate and its positive connection to the heat sink on the cooling wall so that the cooling arrangement can ensure sufficient dimensional stability and tightness. The substrate can have a certain minimum thickness throughout. The substrate can be made thicker in places where the distance between the cooling channel and the substrate is particularly small, to ensure stability only there. However, the dimensional stability of the substrate is only one parameter. The strength of the positive connection between the substrate and the heat sink is also important. The more stable this can be designed, the thinner the substrate can be.
Dieses Merkmal: „das Substrat und dessen formschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper an der Kühlwand so auszulegen, dass die Kühlanordnung die ausreichende Form-Stabilität und Dichtheit sicherstellen kann“ ist auch einfach bestimmbar. Übliche Betriebsdrucke des Kühlmittels sind bekannt. Sie können z.B. im Bereich von 3 bar bis 5 bar liegen.This characteristic: "designing the substrate and its positive connection to the heat sink on the cooling wall so that the cooling arrangement can ensure sufficient dimensional stability and tightness" is also easy to determine. Typical operating pressures of the coolant are known. They can, for example, be in the range of 3 bar to 5 bar.
Zum Bestimmen des Merkmals g) kann ein solcher Betriebsdruck an die Kühlanordnung mit Kühlkörper und Substrat angelegt werden und überprüft werden, ob die Kühlanordnung dicht und formstabil bleibt. Zum Bestimmen des Merkmals f) kann das Substrat vom Kühlkörper entfernt werden, z.B. abgeschliffen werden, und anschließend überprüft werden, ob der Kühlkörper bei dem vorgegebenen Betriebsdruck die Form verändert oder undicht ist oder wird.To determine feature g), such an operating pressure can be applied to the cooling arrangement with the heat sink and substrate, and it can be checked whether the cooling arrangement remains tight and dimensionally stable. To determine feature f), the substrate can be removed from the heat sink, e.g., ground down, and then checked to see whether the heat sink changes shape or is or becomes leaky at the specified operating pressure.
In einem weiteren Aspekt der Kühlanordnung ist
- a) der Kühlkanal dadurch gekennzeichnet, dass sein Querschnitt zumindest abschnittsweise eine geometrische Form aufweist, deren Breite, gemessen parallel zur Kühlwand, sich in Richtung der Kühlwand vermindert; und wobei
- b) die geometrische Form des Querschnitts an der Kühlwand einen Abstand zum Substrat aufweist, der so ausgelegt ist, dass bei dem vorgegebenen Betriebsdruck des Kühlmittels der Kühlkörper ohne das formschlüssig mit ihm verbundene Substrat keine ausreichende Form-Stabilität und/oder Dichtheit sicherstellen kann.
- a) the cooling channel is characterized in that its cross-section has, at least in sections, a geometric shape whose width, measured parallel to the cooling wall, decreases in the direction of the cooling wall; and wherein
- b) the geometric shape of the cross-section on the cooling wall has a distance from the substrate which is designed in such a way that at the specified operating pressure of the coolant, the heat sink cannot ensure sufficient dimensional stability and/or tightness without the substrate being positively connected to it.
So kann die Entwärmung des zu kühlenden Elements besonders effektiv erfolgen.This allows the heat to be dissipated from the element to be cooled particularly effectively.
Durch die sich in Richtung der Kühlwand vermindernde Breite der geometrischen Form werden gleich zwei Vorteile weitergebildet. Zum einen kann das Kühlmittel sehr nah an das Substrat geführt werden. Damit kann die Wärme vom Substrat verbessert abgeführt werden. Zum anderen wird aber auch genügend Material des Kühlkörpers an das Substrat geführt, der so auch die Wärme sehr gut an die anderen Wände des Kühlkanals leiten kann. Das Material des Kühlkörpers weist dazu vorteilhafterweise eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf, wie es z.B. Kupfer aufweist.The narrowing width of the geometric shape toward the cooling wall provides two advantages. First, the coolant can be directed very close to the substrate, allowing for improved heat dissipation from the substrate. Second, sufficient heat sink material is directed to the substrate, allowing the heat to be effectively conducted to the other walls of the cooling channel. The heat sink material, such as copper, advantageously exhibits particularly good thermal conductivity.
Damit kann die Entwärmung ganz besonders effektiv erfolgen.This allows for particularly effective heat dissipation.
In einem weiteren Aspekt der Kühlanordnung ist der Kühlkörper zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels selektivem Laserschmelzen, auch genannt „selective Laser melting“ kurz: „SLM“, hergestellt.In a further aspect of the cooling arrangement, the heat sink is at least partially manufactured by means of an additive manufacturing process, in particular by means of selective laser melting, also called “selective laser melting” or “SLM” for short.
Mit einem so hergestellten Kühlkörper kann die Entwärmung des zu kühlenden Elements besonders effektiv erfolgen.With a heat sink manufactured in this way, the heat dissipation of the element to be cooled can be carried out particularly effectively.
In einem weiteren Aspekt der Kühlanordnung ist der Kühlkörper zumindest teilweise mittels eines Metallschicht-Verbindungs-Verfahrens, insbesondere DCB-Verfahrens, hergestellt.In a further aspect of the cooling arrangement, the heat sink is at least partially manufactured by means of a metal layer bonding process, in particular a DCB process.
Mit einem so hergestellten Kühlkörper kann die Entwärmung des zu kühlenden Elements besonders effektiv erfolgen.With a heat sink manufactured in this way, the heat dissipation of the element to be cooled can be carried out particularly effectively.
In einem weiteren Aspekt der Kühlanordnung weist der Kühlkörper auf:
- - eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelabführung, die beide mit dem Kühlkanal fluidisch verbunden sind, zur Zu- und Abführung des Kühlmittels an eine Kühleinheit, an der der Kühlkörper befestigbar ist, und wobei bei Befestigung eine erste fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelzuführung des Kühlkörpers und dem ersten Fluidport der Kühleinheit sowie insbesondere zusätzlich eine zweite fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelabführung des Kühlkörpers und dem zweiten Fluidport der Kühleinheit ausbildbar ist.
- - a coolant supply and a coolant outlet, both of which are fluidically connected to the cooling channel, for supplying and discharging the coolant to a cooling unit to which the heat sink can be fastened, and wherein, upon fastening, a first fluidic connection can be formed between the coolant supply of the heat sink and the first fluid port of the cooling unit and, in particular, additionally a second fluidic connection can be formed between the coolant outlet of the heat sink and the second fluid port of the cooling unit.
Wie später noch genauer erläutert wird, hat dies Vorteile beim Anschluss und der Montage der zu kühlenden elektrischen Einheit.As will be explained in more detail later, this has advantages when connecting and installing the electrical unit to be cooled.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenfalls durch eine Elektronikbaugruppe aufweisend eine Kühlanordnung wie zuvor und nachfolgend beschrieben und eine mechanisch fest mit dem Substrat verbundene zu kühlende elektrische Einheit, bevorzugt eine Halbleiteranordnung, besonders bevorzugt ein oder mehrere Leistungstransistoren, wie z.B. IGBT oder MOSFET. Dabei weist die elektrische Einheit zumindest eine Leiterstruktur aus Metall auf, die formschlüssig mit dem Substrat verbunden ist. Dabei weist die elektrische Einheit weiter zumindest einen Bare-Die-Halbleiterbaustein auf, der mechanisch fest, insbesondere durch Löten, auf der Leiterstruktur befestigt ist.The stated object is also achieved by an electronic assembly comprising a cooling arrangement as described above and below and an electrical unit to be cooled, preferably a semiconductor arrangement, particularly preferably one or more power transistors, such as IGBTs or MOSFETs, which is mechanically firmly connected to the substrate. The electrical unit has at least one metal conductor structure that is positively connected to the substrate. The electrical unit further has at least one bare-die semiconductor component that is mechanically firmly attached to the conductor structure, in particular by soldering.
Mit „Bare-Die-Halbleiterbaustein“ sind die im englischen Sprachgebrauch „Bare Dies“, auch genannt „Bare Chips“, „Die“ oder „Chip“, gemeint. Damit werden integrierte elektronische Bauelemente bezeichnet, die nicht herkömmlich in einem Plastik- oder Keramikgehäuse verbaut sind, sondern ohne Gehäuse weiterverarbeitet werden. Sie werden direkt auf der Leiterstruktur des Substrats aufgebracht und können mittels Bonden, z.B. Drahtbonden, elektrisch mit umliegenden Bauelementen oder Leiterstrukturen verbunden werden."Bare die" semiconductor components refer to "bare dies," also called "bare chips," "die," or "chips." These are integrated electronic components that are not conventionally housed in a plastic or ceramic package, but are processed without a housing. They are applied directly to the conductor structure of the substrate and can be electrically connected to surrounding components or conductor structures using bonding, e.g., wire bonding.
Mit „Bonden“ wird hier die Verbindung von Bare-Dies mit anderen Bauelementen oder Leiterstrukturen bezeichnet. „Drahtbonden“ bezeichnet einen Verfahrensschritt, bei dem mittels dünnen Drahts, auch Bonddraht genannt, die Anschlüsse eines Bare-Dies mit den elektrischen Anschlüssen anderer Bauteile oder Leiterstrukturen verbunden werden. Der Vorgang des Auflötens der rückseitigen Kontakte eines Bare-Dies ohne Draht wird im Gegensatz dazu als „Chip-Bonden“ bezeichnet. Mögliche Bare-Die-Halbleiterbausteine können z.B. sein: Transistoren, z.B. IGBT, MOSFET, insbesondere LDMOS-Transistoren, Dioden, insbesondere Schottky-Dioden, PIN-Dioden, LED, Laser-Dioden, Ansteuer- oder Treiberschaltungen für zuvor genannte Bauteile."Bonding" here refers to the connection of bare dies to other components or conductor structures. "Wire bonding" refers to a process step in which the terminals of a bare die are connected to the electrical terminals of other components or conductor structures using a thin wire, also called bonding wire. In contrast, the process of soldering the rear contacts of a bare die without wire is referred to as "chip bonding." Possible bare die semiconductor components can include: transistors, e.g., IGBTs, MOSFETs, especially LDMOS transistors; diodes, especially Schottky diodes; PIN diodes; LEDs; laser diodes; and control or driver circuits for the aforementioned components.
Auf der Leiterstruktur können weiter auch Anschlusspins vorgesehen sein. Diese können z.B. durch Ultraschallverbindung mit der Leiterstruktur verbunden sein. Da Bare-Die-Halbleiterbaustein sehr dünn ausgelegt sein können, werden sie hier auch als Bare-Die-Schicht bezeichnet.Connection pins can also be provided on the conductor structure. These can be connected to the conductor structure, for example, by ultrasonic bonding. Since bare-die semiconductor components can be designed very thin, they are also referred to here as a bare-die layer.
In einem Aspekt der Elektronikbaugruppe ist die elektrische Einheit mit dem Substrat durch mindestens eines von folgenden verbunden: durch mindestens eine Lötverbindung, durch mindestens eine Schweißverbindung, durch Sintern. Dadurch kann der Wärmeleitwiderstand verkleinert werden und die Kühlung noch effektiver erfolgen.In one aspect of the electronic assembly, the electrical unit is connected to the substrate by at least one of the following: at least one solder joint, at least one weld joint, or sintering. This allows the thermal resistance to be reduced and cooling to be even more effective.
In einem Aspekt der Elektronikbaugruppe weist diese eine Leiterplatte auf, mit der die elektrische Einheit eine feste mechanische Verbindung aufweist. Dadurch kann die Baugruppe noch kompakter aufgebaut werden, womit die Entwärmung noch effektiver erfolgen kann.In one aspect of the electronic assembly, it includes a printed circuit board to which the electrical unit has a solid mechanical connection. This allows the assembly to be constructed even more compactly, thus enabling even more effective heat dissipation.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt zudem durch einen elektrischen Leistungsumwandler für eine Industrieprozessanordnung, vorzugsweise Plasmaprozessanordnung oder Erwärmungsanordnung, aufweisend:
- - eine Elektronikbaugruppe, wie zuvor und nachfolgend beschrieben,
- - an electronic assembly as described above and below,
Der Kühlkörper ermöglicht eine lösbare Befestigung der Kühlanordnung in einer Kühleinheit. Die Kühleinheit ist dazu ausgebildet, dem Kühlkörper Kühlmittel zuzuführen und Kühlmittel abzuführen. Der Kühlkörper kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass beim Befestigen des Kühlkörpers in der Kühleinheit fluiddichte fluidische Verbindungen zwischen Kühlkörper und Kühleinheit ausbildbar sind. Dabei ist es möglich, die Kühlanordnung zusammen mit der an der Kühlanordnung angebrachten zu kühlenden elektrischen Einheit bei Bedarf aus der Kühleinheit zu entnehmen. Dies ist, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Wartung und Reparatur, von Vorteil. Gemäß den Ausführungsformen der Entwicklung könnte die elektrische Einheit beispielsweise zusammen mit der Kühlanordnung aus der Kühleinheit herausgenommen werden.The heat sink enables detachable fastening of the cooling arrangement in a cooling unit. The cooling unit is designed to supply coolant to the heat sink and to discharge coolant. The heat sink can, for example, be configured such that, when the heat sink is fastened in the cooling unit, fluid-tight fluidic connections can be formed between the heat sink and the cooling unit. It is possible to remove the cooling arrangement, together with the electrical unit to be cooled, which is attached to the cooling arrangement, from the cooling unit as needed. This is advantageous, in particular from the point of view of maintenance and repair. According to the embodiments of the development, the electrical unit could, for example, be removed from the cooling unit together with the cooling arrangement.
Dabei kann der elektrische Leistungsumwandler insbesondere ausgelegt sein zur Generierung einer HF-Ausgangsleistung. Mit HF-Ausgangsleistung ist hier eine Ausgangsleistung gemeint, die im Bereich von 1 kW oder mehr, insbesondere 10 kW oder mehr, bevorzugt 100 kW oder mehr bei Frequenzen ≥ 20 kHz, bevorzugt ≥ 200 kHz insbesondere ≥ 2 MHz liegt.The electrical power converter can be designed, in particular, to generate an RF output power. RF output power here refers to an output power in the range of 1 kW or more, in particular 10 kW or more, preferably 100 kW or more, at frequencies ≥ 20 kHz, preferably ≥ 200 kHz, in particular ≥ 2 MHz.
Wie eingangs erwähnt, ist ein solcher Leistungsumwandler besonders angewiesen auf eine sehr leitungsstarke und zuverlässige Kühlung, die mit einer solchen Kühlanordnung besonders gut erreicht werden kann.As mentioned at the beginning, such a power converter is particularly dependent on very powerful and reliable cooling, which can be achieved particularly well with such a cooling arrangement.
In
In einem Aspekt der Entwicklung umfasst die Halbleiteranordnung zwei Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, die jeweils einen ersten und einen zweiten Leistungsanschluss und einen Steueranschluss aufweisen, wobei beide Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren mit einem ihrer Leistungsanschlüsse zu einer Serienschaltung verbunden sind, wobei an die verbleibenden Leistungsanschlüsse eine Gleichstrom- oder Gleichspannung angeschlossen ist. Die kann z.B. direkt erfolgen oder über einen Filter oder eine Induktivität. Dabei kann weiter eine Ansteuerelektronik vorgesehen sein, die mit den Steueranschlüssen der Leistungshalbleiterbauelemente verbunden ist, und die Ansteuerelektronik ist ausgelegt, die Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, derart anzusteuern, dass sie eine HF-Leistung erzeugen können, indem sie z.B. die Transistoren von einem ersten leitenden Zustand in einen zweiten leitenden Zustand versetzen, wobei die Leitfähigkeit der beiden Zustände unterschiedlich ist. Eine solche Anordnung kann sehr effizient betrieben werden, z.B. im Class D oder Class F oder Class F-1 Betrieb. Ein solcher Betrieb erzeugt weniger Verlustleistung als z.B. Class A oder Class B Betrieb. In Kombination mit der sehr guten Kühlung mittels der beschriebenen leistungselektronischen Baueinheit kann eine noch weiter verbesserte Versorgung der Industrieprozesse erreicht werden, indem diese z.B. mit höherer Leistung betrieben werden können.In one aspect of the development, the semiconductor arrangement comprises two power semiconductor components, in particular transistors, each having a first and a second power terminal and a control terminal. Both power semiconductor components, in particular transistors, are connected by one of their power terminals to form a series circuit, with a direct current or direct voltage being connected to the remaining power terminals. This can be done, for example, directly or via a filter or an inductor. Control electronics can also be provided, which are connected to the control terminals of the power semiconductor components, and the control electronics are designed to control the power semiconductor components, in particular transistors, such that they can generate RF power, for example by switching the transistors from a first conducting state to a second conducting state, wherein the conductivity of the two states is different. Such an arrangement can be operated very efficiently, e.g., in Class D, Class F, or Class F-1 operation. Such operation generates less power loss than, for example, Class A or Class B operation. In combination with the very good cooling by means of the described power electronic unit, an even further improved supply of the industrial processes can be achieved, for example by allowing them to be operated at higher power.
In einem Aspekt können die zwei Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, mit ihrem ersten Leistungsanschluss jeweils mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, insbesondere Masseverbindungspunkt, verbunden sein, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, insbesondere gleichartig ausgebildet sind und an der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sind. So kann die Kühlung weiter verbessert und die Leistungsausbeute weitergesteigert werden.In one aspect, the two power semiconductor components, in particular transistors, can each be connected by their first power terminal to a common connection point, in particular a ground connection point, wherein the power semiconductor components, in particular transistors, are in particular of the same design and are arranged on the multilayer printed circuit board. Cooling can thus be further improved. sert and the performance yield can be further increased.
In einem Aspekt kann eines der beiden Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, mit seinem ersten Leistungsanschluss mit dem anderen Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere Transistor, mit dem zweiten Leistungsanschluss an einem gemeinsamen Verbindungspunkt, verbunden sein, wobei die Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, insbesondere gleichartig ausgebildet sind, und an der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sind. So kann die Kühlung weiter verbessert und die Leistungsausbeute weitergesteigert werden.In one aspect, one of the two power semiconductor components, in particular transistors, can be connected by its first power terminal to the other power semiconductor component, in particular transistor, with its second power terminal at a common connection point. The power semiconductor components, in particular transistors, are particularly similarly designed and arranged on the multilayer printed circuit board. This allows cooling to be further improved and power efficiency to be further increased.
In einem Aspekt kann auf der Leiterplatte ein Leistungsübertrager mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung angeordnet sein, wobei die Primärwicklung mit dem zumindest einen Leistungsanschluss der Leistungshalbleiterbauelemente, insbesondere Transistoren, verbunden ist. Dabei können die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Leistungsübertragers jeweils als planare Leiterbahnen ausgeführt sein, die in unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte kann dabei eine thermische Verbindung mit der Kühleinheit aufweisen. So kann die Kühlung weiter verbessert und die Leistungsausbeute weiter gesteigert werden.In one aspect, a power transformer with a primary winding and a secondary winding can be arranged on the circuit board, wherein the primary winding is connected to the at least one power terminal of the power semiconductor components, in particular transistors. The primary winding and the secondary winding of the power transformer can each be designed as planar conductor tracks arranged in different layers of the circuit board. The circuit board can have a thermal connection to the cooling unit. This allows cooling to be further improved and the power output to be further increased.
In einem Aspekt kann die thermische Verbindung mit der Kühleinheit eine wärmeleitende Ausgleichsschicht aufweisen, die mit ihrer ersten Fläche mit der ersten Fläche der Leiterplatte fest verbunden ist. Zudem kann die thermische Verbindung alternativ oder zusätzlich eine Verbindungsschicht aufweisen, die mit ihrer ersten Fläche mit der zweiten Fläche der wärmeleitenden Ausgleichsschicht fest verbunden ist und mit ihrer zweiten Fläche mit der Kühleinheit fest verbunden ist.In one aspect, the thermal connection to the cooling unit may comprise a thermally conductive compensation layer, the first surface of which is firmly connected to the first surface of the circuit board. Furthermore, the thermal connection may alternatively or additionally comprise a connection layer, the first surface of which is firmly connected to the second surface of the thermally conductive compensation layer, and the second surface of which is firmly connected to the cooling unit.
Die Kühleinheit kann hier eine wärmeverteilende Charakteristik aufweisen. Sie kann hier elektrisch leitend oder isolierend ausgeführt sein.The cooling unit can have heat-distributing characteristics. It can be electrically conductive or insulating.
Mit fest verbunden ist gemeint, dass die Verbindung fest und beständig ist, wie eine Verklebung, Verschweißung, Verlötung oder Verpressung und vorzugsweise nur lösbar mit großer Hitze und/oder mechanischem Druck.By firmly connected we mean that the connection is firm and permanent, such as gluing, welding, soldering or pressing and preferably only removable with high heat and/or mechanical pressure.
Insbesondere kann die Verbindung formschlüssig ausgebildet sein. So werden Lufteinschlüsse vermieden und die gute Wärmeleitung sichergestellt.In particular, the connection can be designed with a form-fitting design. This prevents air pockets and ensures good heat conduction.
Die wärmeleitende Ausgleichsschicht ist geeignet, Wärme von der Leiterplatte in Richtung der Kühleinheit zu leiten. Sie kann Unebenheiten, die z.B. durch Leiterbahnen, Wicklungen oder Kontaktpads auf der Unterseite der Leiterplatte auftreten, ausgleichen und in Richtung der Kühleinheit eine homogene und flächige Ebene bereitstellen.The thermally conductive leveling layer is designed to conduct heat from the circuit board toward the cooling unit. It can compensate for unevenness caused, for example, by conductor tracks, windings, or contact pads on the underside of the circuit board and provide a homogeneous and flat surface toward the cooling unit.
Die wärmeleitende Ausgleichsschicht kann aus einem Prepreg oder unverstärktem Klebstoff bestehen. Die isolierende Leiterplatte und der Wärmeverteiler können über ein dazwischen gefügtes Prepreg durch Erhitzung und Zusammenpressen verbunden werden. „Prepreg“ ist eine gebräuchliche Materialbezeichnung, die eine Verkürzung von „preimpregnated“, zu deutsch: „vorimprägniert“, darstellt. Gemeint sind üblicherweise mit einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix vorimprägnierte, meist ebene, flächige textile Halbzeuge wie unidirektionale Schichten aus Fäden, Gewebe oder Gelege mit häufig rechtwinklig angeordneten Fäden.The thermally conductive compensating layer can consist of a prepreg or unreinforced adhesive. The insulating circuit board and the heat spreader can be joined by heating and pressing a prepreg between them. "Prepreg" is a common material name, short for "preimpregnated." This term typically refers to pre-impregnated, usually flat, sheet-like textile semi-finished products with a thermoplastic or thermosetting matrix, such as unidirectional layers of threads, fabrics, or scrims, often with perpendicularly arranged threads.
Prepregs werden zur Herstellung von Bauteilen unter Temperatur und Druck ausgehärtet. Sie werden beispielsweise bahnförmig, auf Rollen gewickelt, vorgefertigt. Unter den Begriff Prepreg fallen nicht nur unidirektional verstärkte oder flächige Halbzeuge, sondern auch sonstige Vorformlinge von prinzipiell beliebiger Gestalt, die im weitesten Sinne aus einer mit Fasern gefüllten, ungehärteten duroplastischen Matrix bestehen. Die Matrix befindet sich dabei im teilvernetzten Zustand, und ist pastös bis fest, kann aber durch Erwärmung wieder verflüssigt werden.Prepregs are cured under heat and pressure to produce components. They are prefabricated, for example, in sheet form or wound on rolls. The term "prepreg" encompasses not only unidirectionally reinforced or flat semi-finished products, but also other preforms of essentially any shape, consisting, in the broadest sense, of a fiber-filled, uncured thermoset matrix. The matrix is in a partially cross-linked state and is pasty to solid, but can be liquefied again by heating.
Prepregs sind maschinell verarbeitbar und werden daher häufig in automatisierten Prozessen eingesetzt. Sie ergeben eine gleichmäßige und hohe Qualität. Vorteile sind ihre niedrige Ondulation und der hohe Faservolumenanteil. Durch die Aushärtung unter hohen Temperaturen sind kurze Taktzeiten in der Weiterverarbeitung möglich. Die Verarbeitung erfordert einen hohen Investitionsaufwand z. B. für Autoklaven, Legeroboter, gekühlte Lagerhaltung. Solche Prepregs werden im Allgemeinen dafür eingesetzt, mehrere Leiterplatten zu einer Mehrschicht-Leiterplatte zusammenzufügen. Um ein sicheres und langanhaltendes Zusammenfügen zu gewährleiten, sollten die zusammenzufügenden Materialen sehr ähnliche Eigenschaften bezüglich ihrer Ausdehnung bei Erhitzung aufweisen. Das ist aber bei der Leiterplatte und dem Wärmeverteiler nicht unbedingt der Fall, insbesondere, wenn der Wärmeverteiler aus Keramik aufgebaut ist. Das sprach zunächst gegen eine solche Verbindung. Prepregs are machine-processable and are therefore frequently used in automated processes. They produce consistent, high-quality products. Advantages include their low undulation and high fiber volume fraction. Curing at high temperatures enables short cycle times in further processing. Processing requires significant investment, e.g., for autoclaves, placement robots, and refrigerated storage. Such prepregs are generally used to join several printed circuit boards together to form a multilayer circuit board. To ensure a secure and long-lasting joint, the materials to be joined should have very similar properties regarding their expansion when heated. However, this is not necessarily the case for the printed circuit board and the heat spreader, especially if the heat spreader is made of ceramic. This initially spoke against such a joint.
Keramik weist aber eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig sehr gute elektrisch isolierende Eigenschaften auf und zusätzlich auch niedrige dielektrische Verluste bei der Isolierung von Hochfrequenzsignalen großer Spannung. Entgegen den Erwartungen wurde aber in Tests festgestellt, dass bei kleinen Abmessungen auch ein sicheres und langanhaltendes Zusammenfügen von Materialien mit verschiedenen Eigenschaften, wie z.B. Keramik mit FR-4 und/oder Keramik mit PTFE-Material möglich ist. Mit „kleinen Abmessungen“ ist hier eine Verbundfläche kleiner 400 cm2 und/oder mit einer maximalen Länge von 20 cm gemeint.However, ceramics exhibit very good thermal conductivity and, at the same time, very good electrical insulating properties, as well as low dielectric losses when isolating high-frequency signals with high voltages. Contrary to expectations, tests have shown that, even with small dimensions, a safe and long-lasting joining of materials with different properties, such as ceramic with FR-4 and/or ceramic with PTFE material, is possible. "Small dimensions" here means a bonding area of less than 400 cm² and/or with a maximum length of 20 cm.
Die Verbindungsschicht kann einen Klebstoff auf Basis eines Harzes umfassen. Sie kann dünner ausgestaltet sein als die wärmeleitende Ausgleichsschicht.The bonding layer may comprise a resin-based adhesive. It may be thinner than the thermally conductive compensating layer.
Die Verbindungsschicht kann eine Klebefolie umfassen.The connecting layer may comprise an adhesive film.
Zusammen können die beiden Schichten eine feste Verbindung mit guter Wärmeleitung zu der Kühleinheit aufbauen.Together, the two layers can form a solid connection with good heat conduction to the cooling unit.
Dadurch kann die elektrische Einheit beispielsweise mechanisch fest mit der Kühlanordnung verbunden werden. Ein Aspekt der Entwicklung liegt darin, die Verbindung zwischen der zu kühlenden elektrischen Einheit und der Kühlanordnung mit so wenig zusätzlichen Materialien und so dünn wie möglich zu realisieren. Es stellte sich bei den Überlegungen, Simulationen und Versuchen zu dieser Entwicklung heraus, dass dies insbesondere dann möglich ist, wenn die fluiddurchströmte Kühlanordnung fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der zu kühlenden elektrischen Einheit verbunden ist. Das kann z.B. durch eine Lötverbindung, Sintern, Pressen oder „direct copper bonding“, „DCB“, erfolgen. Mit „mechanisch fest“ kann hier gemeint sein: „nur zerstörerisch lösbar“. Also mit Mitteln der Verbindung, die auch mit Werkzeug nicht lösbar sind, ohne entweder die zu kühlende elektrische Einheit oder die Kühlanordnung oder beide Komponenten zu zerstören. Auch in diesem Fall wäre es möglich, die elektrische Einheit zusammen mit der Kühlanordnung aus der Kühleinheit zu entnehmen, etwa zu Wartungszwecken. Durch die mechanisch feste Anbringung der zu kühlenden elektrischen Einheit an der Kühlanordnung kann eine verbesserte thermische Kopplung zwischen der zu kühlenden elektrischen Einheit und dem Kühlköper und ein besserer Wärmeübergang von der zu kühlenden elektrischen Einheit zum Kühlkörper erzielt werden.This allows the electrical unit, for example, to be mechanically firmly connected to the cooling arrangement. One aspect of the development is to create the connection between the electrical unit to be cooled and the cooling arrangement using as few additional materials and as thinly as possible. During the considerations, simulations, and tests for this development, it became clear that this is particularly possible when the cooling arrangement, through which fluid flows, is firmly connected, in particular by a material bond, to the electrical unit to be cooled. This can be achieved, for example, by a soldered connection, sintering, pressing, or "direct copper bonding" (DCB). "Mechanically firmly connected" here can mean "can only be removed by destruction." In other words, using connection means that cannot be removed even with tools without destroying either the electrical unit to be cooled or the cooling arrangement, or both components. In this case, too, it would be possible to remove the electrical unit together with the cooling arrangement from the cooling unit, for example for maintenance purposes. By mechanically attaching the electrical unit to be cooled to the cooling arrangement, an improved thermal coupling between the electrical unit to be cooled and the heat sink and a better heat transfer from the electrical unit to be cooled to the heat sink can be achieved.
Die Elektronikbaugruppe, die die Kühlanordnung und die mit dem Substrat mechanisch fest verbundene elektrische Einheit umfasst, kann beispielsweise in ihrer Gesamtheit in die Kühleinheit eingesetzt und aus der Kühleinheit wieder herausgenommen werden. Dadurch ist ein Zugang zu der zu kühlenden elektrischen Einheit möglich.The electronic assembly, which includes the cooling arrangement and the electrical unit mechanically connected to the substrate, can, for example, be inserted into and removed from the cooling unit as a whole. This allows access to the electrical unit to be cooled.
Der elektrische Leistungsumwandler kann ferner aufweisen: eine Kühleinheit zur Versorgung des Kühlkörpers, der eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelabführung aufweist, mit Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, bevorzugt Kühlwasser. Die Kühleinheit kann dabei einen ersten Strömungskanal und einen zweiten Strömungskanal aufweisen. Darüber hinaus kann die Kühleinheit einen ersten Fluidport, der mit dem ersten Strömungskanal fluidisch verbunden ist, sowie insbesondere einen zweiten Fluidport, der mit dem zweiten Strömungskanal fluidisch verbunden ist, aufweisen. Die Kühleinheit kann derart ausgestaltet sein, dass die Kühlanordnung lösbar an der Kühleinheit befestigbar ist und dass bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit eine erste fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelzuführung des Kühlkörpers und dem ersten Fluidport der Kühleinheit sowie eine zweite fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelabführung des Kühlkörpers und dem zweiten Fluidport der Kühleinheit ausbildbar ist. Darüber hinaus kann der Kühlkörper insbesondere derart ausgestaltet sein, dass bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit zugleich eine fluiddichte Abdichtung der ersten fluidischen Verbindung und der zweiten fluidischen Verbindung erfolgt.The electrical power converter can further comprise: a cooling unit for supplying the heat sink, which has a coolant supply and a coolant discharge, with coolant, in particular coolant liquid, preferably cooling water. The cooling unit can have a first flow channel and a second flow channel. Furthermore, the cooling unit can have a first fluid port fluidically connected to the first flow channel, and in particular a second fluid port fluidically connected to the second flow channel. The cooling unit can be configured such that the cooling arrangement can be detachably fastened to the cooling unit and that, when the heat sink is fastened to the cooling unit, a first fluidic connection can be formed between the coolant supply of the heat sink and the first fluid port of the cooling unit, and a second fluidic connection can be formed between the coolant discharge of the heat sink and the second fluid port of the cooling unit. Furthermore, the heat sink can in particular be configured such that, when the heat sink is fastened to the cooling unit, a fluid-tight seal between the first fluidic connection and the second fluidic connection is simultaneously created.
Dabei kann die Kühleinheit beispielsweise dazu ausgelegt sein, eine einzelne Kühlanordnung mit Kühlmittel zu versorgen, sie kann aber beispielsweise auch dazu ausgelegt sein, eine Vielzahl von Kühlanordnungen mit Kühlmittel zu beschicken und das Kühlmittel nach dem Durchströmen der Kühlkörper wieder abzuführen. Auf diese Weise wird ein Kühlsystem geschaffen, das bei Bedarf einen Zugang zu den zu kühlenden Einheiten ermöglicht.The cooling unit can be designed, for example, to supply coolant to a single cooling arrangement, but it can also be designed, for example, to supply coolant to a plurality of cooling arrangements and to discharge the coolant again after flowing through the heat sinks. This creates a cooling system that allows access to the units to be cooled when needed.
Der elektrische Leistungsumwandler kann eine Kühleinrichtung umfassen, die eine Kühleinheit wie oben beschrieben sowie einen mit der Kühleinheit lösbar verbundenen Kühlkörper wie oben beschrieben umfasst.The electrical power converter may comprise a cooling device comprising a cooling unit as described above and a heat sink detachably connected to the cooling unit as described above.
Der elektrische Leistungsumwandler kann ferner aufweisen:
- - eine Leiterplatte,
- - weitere elektronische Bauteile,
- - a circuit board,
- - other electronic components,
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer Kühlanordnung wie zuvor und nachfolgend beschrieben, wobei zumindest ein Teil des Kühlkörpers, mittels Metallisierung des Substrats, insbesondere mittels Direct-Bonded-Copper, auf dem Substrat aufgebracht wird.Furthermore, the invention relates to a method for assembling a cooling arrangement as described above and below, wherein at least a part of the heat sink is applied to the substrate by means of metallization of the substrate, in particular by means of direct-bonded copper.
Mit Direct-Bonded-Copper ist ein Verfahren gemeint, das in der Aufbau- und Verbindungstechnik eine Struktur bereitstellt, die eine enge thermische Verbindung elektronischer Bauteile über Kupfer ermöglicht. Dies ist besonders in der Leistungselektronik für eine bessere Wärmeableitung wichtig. Dabei kann eine Kupferfolie unter Druck und hoher Temperatur mit dem Substrat, z.B. Keramiksubstrat verbunden werden. Als Keramikmaterialien kommen z.B. in Frage: Aluminiumoxidkeramik Berylliumoxid-Keramik, Aluminiumnitrid-Keramik, Saphir.Direct-Bonded-Copper is a process used in the assembly and connection technology provides a structure that enables a tight thermal connection between electronic components via copper. This is particularly important in power electronics for improved heat dissipation. A copper foil can be bonded to the substrate, e.g., a ceramic substrate, under pressure and high temperature. Possible ceramic materials include: aluminum oxide ceramic, beryllium oxide ceramic, aluminum nitride ceramic, and sapphire.
Andere Metallisierungsverfahren sind z.B. unter dem Begriff „Insulated metal substrate“ bekannt.Other metallization processes are known, for example, under the term “insulated metal substrate”.
In einem Aspekt des Verfahrens zum Zusammenbau der Kühlanordnung kann der Kühlkörper mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels selektivem Laserschmelzen, auch genannt ,SLM', hergestellt werden, indem der Teil des Kühlkörpers, der mittels Metallisierung des Substrats, insbesondere Direct-Bonded-Copper, auf dem Substrat aufgebracht wurde, mittels des additiven Fertigungsverfahrens weiter aufgebaut wird.In one aspect of the method for assembling the cooling arrangement, the heat sink can be manufactured by means of an additive manufacturing method, in particular by means of selective laser melting, also called 'SLM', in that the part of the heat sink which was applied to the substrate by means of metallization of the substrate, in particular direct-bonded copper, is further built up by means of the additive manufacturing method.
In einem Aspekt des Verfahrens zum Zusammenbau der Kühlanordnung kann der Kühlkörper mittels eines Metallschicht-Verbindungs-Verfahrens, insbesondere DCB-Verfahrens, hergestellt werden.In one aspect of the method for assembling the cooling arrangement, the heat sink can be manufactured by means of a metal layer bonding method, in particular a DCB method.
In einem Aspekt des Verfahrens zum Zusammenbau der Kühlanordnung kann bei dem Zusammenbau der Kühlanordnung der Verfahrensschritt des Aufbringens und des Herstellens des Kühlkörpers in einem Schritt erfolgen.In one aspect of the method for assembling the cooling arrangement, the method step of applying and producing the heat sink can be carried out in one step during the assembly of the cooling arrangement.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer Elektronikbaugruppe, insbesondere einer Elektronikbaugruppe wie zuvor und nachfolgend beschrieben, mit den folgenden Schritten:
- - Zusammenbau einer Kühlanordnung wie zuvor und nachfolgend beschrieben,
- - formschlüssiges Verbinden einer Leiterstruktur aus Metall mit dem Substrat, und
- - mechanisch festes Anbringen zumindest eines Bare-Die-Halbleiterbausteins auf der Leiterstruktur, insbesondere durch Löten.
- - Assemble a cooling arrangement as described above and below,
- - positive connection of a metal conductor structure to the substrate, and
- - mechanically fixed attachment of at least one bare-die semiconductor component to the conductor structure, in particular by soldering.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau eines elektrischen Leistungsumwandlers für eine Industrieprozessanordnung, vorzugsweise Plasmaprozessanordnung oder Erwärmungsanordnung, insbesondere so wie zuvor oder nachfolgend beschrieben, ausgehend von einer zuvor und nachfolgend beschriebenen Kühlanordnung zur Entwärmung einer zu kühlenden elektrischen Einheit, bevorzugt einer Halbleiteranordnung, sowie einer Kühleinheit. Der Kühlkörper weist einen Kühlkanal, eine mit dem Kühlkanal fluidisch verbundene Kühlmittelzuführung und eine mit dem Kühlkanal fluidisch verbundene Kühlmittelabführung auf. Die Kühleinheit umfasst einen ersten Fluidport und einen zweiten Fluidport. Das Verfahren umfasst einen Schritt des lösbaren Befestigens der Kühlanordnung an der Kühleinheit, wobei bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit eine erste fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelzuführung des Kühlkörpers und dem ersten Fluidport der Kühleinheit sowie eine zweite fluidische Verbindung zwischen der Kühlmittelabführung des Kühlkörpers und dem zweiten Fluidport der Kühleinheit ausgebildet werden. Bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit erfolgt zugleich eine fluiddichte Abdichtung der ersten fluidischen Verbindung und der zweiten fluidischen Verbindung.Furthermore, the invention relates to a method for assembling an electrical power converter for an industrial process arrangement, preferably a plasma process arrangement or heating arrangement, in particular as described above or below, starting from a cooling arrangement described above and below for dissipating heat from an electrical unit to be cooled, preferably a semiconductor arrangement, and a cooling unit. The heat sink has a cooling channel, a coolant supply fluidically connected to the cooling channel, and a coolant discharge fluidically connected to the cooling channel. The cooling unit comprises a first fluid port and a second fluid port. The method comprises a step of releasably attaching the cooling arrangement to the cooling unit, wherein, upon attachment of the heat sink to the cooling unit, a first fluidic connection is formed between the coolant supply of the heat sink and the first fluid port of the cooling unit, and a second fluidic connection is formed between the coolant discharge of the heat sink and the second fluid port of the cooling unit. Upon attachment of the heat sink to the cooling unit, a fluid-tight seal is simultaneously formed between the first fluidic connection and the second fluidic connection.
Der elektrische Leistungsumwandler kann insbesondere zur Leistungsumwandlung für spezielle leistungsintensive und zu Instabilitäten neigende Industrieprozesse, wie z.B. Plasmaanregung, Plasmabeschichtungsprozesse, Gaslaseranregung, Teilchenbeschleunigern, Lade- und Entladegeräte für Großbatterien, wie z.B. Flow-Batterien, Schmelzen von Festkörpern, Erwärmen und/oder Vergasen von flüssigen Stoffen durch z: B. Mikrowellenenergie oder Induktionserwärmung verwendet werden. All diesen Prozessen gemein ist, dass sie ausgelegt sind zum Generieren und Beschleunigen von geladenen atomaren Teilen in einer Gas- und/oder Plasmaumgebung oder Flüssigkeit. Der elektrische Leistungsumwandler kann insbesondere ausgelegt sein für große Leistungsaufnahme, die im Bereich von 1 kW oder mehr, insbesondere 10 kW oder mehr, bevorzugt 100 kW oder mehr liegt. Für Lasten dieser Art existieren sehr hohe Anforderung an Stabilität der Leistungsbereitstellung, weil die Prozesse hochkomplex sind, wie z.B. die Halbleiterherstellung mittels Plasmaprozessen und/oder Erwärmung durch elektromagnetische Felder. Üblicherweise wird hierfür Leistung von einer Netzfrequenz, die im Bereich von ca. 50 Hz bis 60 Hz liegt, zu unterschiedlichen Frequenzen, die im Bereich von 1 KHz bis zu 200 MHz liegen können, gewandelt. Auch denkbar ist eine Umwandlung in Gleichstromleistung, auch genannt DC-Leistung. Für diese Umwandlung elektrischer Leistung in andere Frequenzen werden eine Vielzahl elektronische Bauteile und Baugruppen benötigt, insbesondere aber Leistungshalbleiterbauelemente, wie z.B. Transistoren oder Dioden ausgelegt für Ströme ≥ 10 A und Spannungen ≥ 400 V. Diese elektronischen Bauteile und Baugruppen erzeugen im Betrieb hohe Verlustwärme. Diese effizient abzuführen, stellt stets eine große Herausforderung dar, die mit den beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sehr vorteilhaft gelöst wird.The electrical power converter can be used in particular for power conversion for special power-intensive industrial processes prone to instability, such as plasma excitation, plasma coating processes, gas laser excitation, particle accelerators, charging and discharging devices for large batteries, such as flow batteries, melting of solids, heating and/or gasification of liquid substances using, for example, microwave energy or induction heating. What all these processes have in common is that they are designed to generate and accelerate charged atomic particles in a gas and/or plasma environment or liquid. The electrical power converter can be designed in particular for high power consumption in the range of 1 kW or more, in particular 10 kW or more, preferably 100 kW or more. For loads of this type, very high demands exist on the stability of the power supply because the processes are highly complex, such as semiconductor production using plasma processes and/or heating by electromagnetic fields. Typically, this involves converting power from a mains frequency in the range of approximately 50 Hz to 60 Hz to different frequencies, which can range from 1 kHz to 200 MHz. Conversion to direct current power, also known as DC power, is also conceivable. This conversion of electrical power to other frequencies requires a variety of electronic components and assemblies, particularly power semiconductor devices such as transistors or diodes designed for currents ≥ 10 A and voltages ≥ 400 V. These electronic components and assemblies generate significant heat losses during operation. Efficiently dissipating this heat always presents a major challenge, one that is successfully addressed using the devices and methods described.
Der elektrische Leistungsumwandler ist vorzugsweise ausgelegt zur Anregung eines Plasmaprozesses, insbesondere eines Plasmaprozesses zur Halbleiterfertigung.The electrical power converter is preferably designed to excite a plasma process, in particular a plasma process for semiconductor production.
Besonders bevorzugt wird ein solcher elektrischer Leistungsumwandler die Eigenschaften eines Leistungsversorgungssystems verbessern, das als zu kühlendes Element LDMOS-Transistoren aufweist, wie das z.B. offenbart ist in
Besonders bevorzugt wird ein solcher elektrischer Leistungsumwandler die Eigenschaften eines Leistungsversorgungssystems verbessern, das an seinem Ausgang sehr hohe Spannungen, insbesondere Spannungen größer gleich 1 kV, besonders bevorzugt größer gleich 2 KV, insbesondere größer gleich 4 kV bereitstellt. Besonders bevorzugt, wenn diese auch noch gepulst zur Verfügung gestellt werden, wie z.B. in
Die Patentveröffentlichungen
Vorzugsweise sind die Kühlmittelzuführung und die Kühlmittelabführung des Kühlkörpers an der von der zu kühlenden elektrischen Einheit abgewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet. Dadurch wird es beispielsweise möglich, den Kühlkörper an der von der zu kühlenden elektrischen Einheit abgewandten Seite des Kühlkörpers fluidisch zu kontaktieren.Preferably, the coolant supply and coolant discharge of the heat sink are arranged on the side of the heat sink facing away from the electrical unit to be cooled. This makes it possible, for example, to fluidically contact the heat sink on the side of the heat sink facing away from the electrical unit to be cooled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper mittels mindestens einem Befestigungsmittel, vorzugsweise mindestens einer Schraube, an der Kühleinheit lösbar befestigbar. Dabei kann das mindestens eine Befestigungsmittel vorzugsweise dazu ausgebildet sein, die fluidischen Verbindungen zwischen Kühlkörper und Kühleinheit so auszubilden, dass eine fluiddichte Abdichtung erzielt wird.According to a preferred embodiment, the heat sink can be releasably attached to the cooling unit by means of at least one fastening means, preferably at least one screw. The at least one fastening means can preferably be designed to form the fluidic connections between the heat sink and the cooling unit in such a way that a fluid-tight seal is achieved.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die fluiddichte Abdichtung der ersten fluidischen Verbindung und der zweiten fluidischen Verbindung mit mindestens einem Befestigungsmittel, das von der Seite der ersten Kühlwand aus zugänglich ist, herstellbar ist. Dabei ist die „erste“ Kühlwand die bereits erwähnte Kühlwand an der der zu kühlenden elektrischen Einheit zugewandten Seite des Kühlkanals. Dadurch, dass das mindestens eine Befestigungsmittel von der Seite der ersten Kühlwand aus zugänglich ist, wird beispielsweise die Handhabung des Kühlkörpers beim Einsetzen und Entnehmen aus der Kühleinheit erleichtert.It is advantageous if the fluid-tight seal between the first fluidic connection and the second fluidic connection can be established with at least one fastening means accessible from the side of the first cooling wall. The "first" cooling wall is the aforementioned cooling wall on the side of the cooling channel facing the electrical unit to be cooled. The fact that the at least one fastening means is accessible from the side of the first cooling wall facilitates, for example, handling of the heat sink when inserting and removing it from the cooling unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper mittels des mindestens einen Befestigungsmittels so gegen die Kühleinheit drückbar, dass flüssigkeitsdichte fluidische Verbindungen zwischen dem ersten Fluidport der Kühleinheit und der Kühlmittelzuführung des Kühlkörpers und zwischen dem zweiten Fluidport der Kühleinheit und der Kühlmittelabführung des Kühlkörpers ausbildbar sind. Beispielsweise kann das mindestens eine Befestigungsmittel so ausgebildet sein, dass bei der Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit eine Anpresskraft erzeugbar ist, der den ersten und zweiten Fluidport der Kühleinheit gegen die Kühlmittelzuführung und -abführung des Kühlkörpers drückt.According to a preferred embodiment, the heat sink can be pressed against the cooling unit by means of the at least one fastening means such that liquid-tight fluidic connections can be formed between the first fluid port of the cooling unit and the coolant supply of the heat sink, and between the second fluid port of the cooling unit and the coolant discharge of the heat sink. For example, the at least one fastening means can be configured such that, when the heat sink is attached to the cooling unit, a contact force can be generated that presses the first and second fluid ports of the cooling unit against the coolant supply and discharge of the heat sink.
Wie zuvor beschrieben ist eine Kühleinrichtung hier definiert als umfassend, eine Kühleinheit wie oben beschrieben sowie einen mit der Kühleinheit lösbar verbundenen Kühlkörper wie oben beschrieben. Es ist von Vorteil, wenn die Kühleinrichtung ferner ein erstes Dichtungselement umfasst, das dazu ausgelegt ist, bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit die erste fluidische Verbindung flüssigkeitsdicht auszubilden. Mittels des ersten Dichtungselements kann beim Befestigen des Kühlkörpers an der Kühleinheit beispielsweise eine fluiddichte erste fluidische Verbindung ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Dichtungselement beim Anpressen des Kühlkörpers an die Kühleinheit so verformt werden, dass die Verbindung zwischen dem ersten Kühlport und der Kühlmittelzuführung abgedichtet wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Dichtungselement um einen ersten Dichtring, der den ersten Fluidport umgibt.As previously described, a cooling device is defined here as comprising a cooling unit as described above and a heat sink detachably connected to the cooling unit as described above. It is advantageous if the cooling device further comprises a first sealing element which is designed to form the first fluidic connection in a liquid-tight manner when the heat sink is fastened to the cooling unit. By means of the first sealing element, for example, a fluid-tight first fluidic connection can be formed when the heat sink is fastened to the cooling unit. For example, the sealing element can be deformed when the heat sink is pressed against the cooling unit such that the connection between the first cooling port and the coolant supply is sealed. The first sealing element is preferably a first sealing ring which surrounds the first fluid port.
Weiter vorzugsweise umfasst die Kühleinrichtung ein zweites Dichtungselement, das dazu ausgelegt ist, bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit die zweite fluidische Verbindung flüssigkeitsdicht auszubilden. Mittels des zweiten Dichtungselements kann beim Befestigen des Kühlkörpers an der Kühleinheit beispielsweise eine fluiddichte zweite fluidische Verbindung ausbildbar sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem zweiten Dichtungselement um einen zweiten Dichtring, der den zweiten Fluidport umgibt.Further preferably, the cooling device comprises a second sealing element which is designed to form the second fluidic connection in a liquid-tight manner when the heat sink is attached to the cooling unit. By means of the second sealing element, for example, a fluid-tight second fluidic connection can be formed when the heat sink is attached to the cooling unit. Preferably, the second sealing element is a second sealing ring surrounding the second fluid port.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper derart ausgestaltet, dass bei Befestigung des Kühlkörpers an der Kühleinheit ein Kühlstrom vom ersten Fluidport zur Kühlmittelzuführung über den Kühlkanal und die Kühlmittelabführung zum zweiten Fluidport ausbildbar ist. Auf diese Weise kann der Kühlkörper beispielsweise von der Kühleinheit aus mit Kühlmittel beschickt werden.According to a preferred embodiment, the heat sink is configured such that, when the heat sink is attached to the cooling unit, a cooling flow can be formed from the first fluid port for the coolant supply via the cooling channel and the coolant discharge to the second fluid port. In this way, the heat sink can be supplied with coolant, for example, from the cooling unit.
Vorzugsweise besteht der Kühlkörper aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer. Infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wird eine effektive Entwärmung der zu kühlenden elektrischen Einheit ermöglicht.The heat sink is preferably made of metal, preferably copper. Copper's high thermal conductivity enables effective heat dissipation from the electrical unit to be cooled.
Das zu kühlende Element, insbesondere die Halbleiteranordnung kann ein Leistungshalbleiterbauelement aufweisen, wobei der Leistungsumwandler derart ausgestaltet ist, dass das Leistungshalbleiterbauelement im Betrieb mit einer Frequenz von 10 kHz oder mehr im Schalt- oder Verstärkerbetrieb betrieben werden kann und dabei eine elektrische Verlustleistung ≥ 500 W erzeugen kann.The element to be cooled, in particular the semiconductor arrangement, can comprise a power semiconductor component, wherein the power converter is designed such that the power semiconductor component can be operated in switching or amplifier mode at a frequency of 10 kHz or more and can generate an electrical power loss ≥ 500 W.
Der Kühlkörper weist bevorzugt einen Kühlkanal auf, der in einer vorgesehenen Flussrichtung von Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, bevorzugt Kühlwasser, durchströmbar ist. Der Kühlkanal kann bevorzugt eine erste Kühlwand an der der zu kühlenden elektrischen Einheit zugewandten Seite des Kühlkanals aufweisen. In dem Kühlkanal oder in einem Teilbereich des Kühlkanals können weiter bevorzugt eine Vielzahl von Kühlpins angeordnet sein, die sich, insbesondere von der ersten Kühlwand, in den Kühlkanal erstrecken. Die Vielzahl von Kühlpins kann weiter bevorzugt mindestens einen Kühlpin einer ersten Kategorie umfassen, der in einer ersten Neigungsrichtung orientiert ist, die relativ zu einer Senkrechten zur ersten Kühlwand schräg geneigt ist. Die Kühlpins der Vielzahl von Kühlpins können weiter bevorzugt so angeordnet sein, dass ein Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins keinen anderen Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins schneidet.The heat sink preferably has a cooling channel through which coolant, in particular cooling liquid, preferably cooling water, can flow in a predetermined flow direction. The cooling channel can preferably have a first cooling wall on the side of the cooling channel facing the electrical unit to be cooled. A plurality of cooling pins can further preferably be arranged in the cooling channel or in a partial region of the cooling channel, which cooling pins extend, in particular from the first cooling wall, into the cooling channel. The plurality of cooling pins can further preferably comprise at least one cooling pin of a first category, which is oriented in a first inclination direction that is inclined obliquely relative to a perpendicular to the first cooling wall. The cooling pins of the plurality of cooling pins can further preferably be arranged such that one cooling pin of the plurality of cooling pins does not intersect any other cooling pin of the plurality of cooling pins.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
Zumindest ein Teil der Kühlpins können derart konisch ausgeführt sein, dass sich für den durch sie gebildeten Kühlkanal die bereits oben genannte Eigenschaft ergibt, nämlich, dass sein Querschnitt zumindest abschnittsweise eine geometrische Form aufweist, deren Breite, gemessen parallel zur Kühlwand, sich in Richtung der Kühlwand vermindert.At least some of the cooling pins can be designed conically in such a way that the cooling channel formed by them has the property already mentioned above, namely that its cross-section has, at least in sections, a geometric shape whose width, measured parallel to the cooling wall, decreases in the direction of the cooling wall.
Bei dem Kühlkörper können weiter bevorzugt in dem Kühlkanal oder in einem Teilbereich des Kühlkanals eine Vielzahl von Kühlpins angeordnet sein, die sich von der ersten Kühlwand aus in den Kühlkanal erstrecken. Unter einem Kühlpin ist ein Kühlelement zu verstehen, dessen Länge größer ist als die durchschnittliche Breite bzw. der durchschnittliche Durchmesser des Kühlelements. Insbesondere kann ein Kühlpin beispielsweise mit einer zylinderförmigen oder mit einer sich verjüngenden Geometrie ausgebildet sein. Die Richtungserstreckung des Kühlpins kann vorzugsweise mittels einer Mittellinie des Kühlpins dargestellt werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform könnte zur Bestimmung einer derartigen Mittellinie beispielsweise eine Linie durch die Zentren der Querschnitte entlang des Kühlpins gelegt werden. Dabei kann die Mittellinie eines Kühlpins beispielsweise als Gerade ausgebildet sein, sie kann zum Beispiel aber auch geringfügig gekrümmt oder geringfügig geknickt ausgebildet sein.In the heat sink, a plurality of cooling pins can further preferably be arranged in the cooling channel or in a partial region of the cooling channel, said cooling pins extending from the first cooling wall into the cooling channel. A cooling pin is understood to be a cooling element whose length is greater than the average width or the average diameter of the cooling element. In particular, a cooling pin can be designed, for example, with a cylindrical or tapered geometry. The directional extension of the cooling pin can preferably be represented by a center line of the cooling pin. According to an exemplary embodiment, to determine such a center line, for example, a line could be drawn through the centers of the cross sections along the cooling pin. The center line of a cooling pin can, for example, be designed as a straight line, but it can also, for example, be slightly curved or slightly kinked.
Weiter bevorzugt können Kühlpins der ersten Kategorie schräg geneigt zu einer Senkrechten zur ersten Kühlwand ausgerichtet sein. Unter schräg geneigt ist hier zu verstehen, dass die Kühlpins der ersten Kategorie weder parallel noch senkrecht zur ersten Kühlwand stehen. Es wurde festgestellt, dass durch die schräge Anordnung der Kühlpins eine besonders gute Umströmung mit Kühlmittel und ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen Kühlpin und Kühlmittel erzielt werden kann.More preferably, cooling pins of the first category can be oriented at an angle to a perpendicular to the first cooling wall. "An angled" here means that the cooling pins of the first category are neither parallel nor perpendicular to the first cooling wall. It has been found that the angled arrangement of the cooling pins allows for particularly good coolant flow and improved thermal contact between the cooling pin and the coolant.
Darüber hinaus können die Kühlpins der Vielzahl von Kühlpins so angeordnet sein, dass ein Kühlpin keinen anderen Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins schneidet. Durch diese überschneidungsfreie Anordnung der Kühlpins im Kühlkanal oder in einem Teilbereich des Kühlkanals wird eine verbesserte Durchströmung des Kühlkanals und eine Verringerung des Druckverlusts erreicht. Der Druck, der erforderlich ist, um das Kühlmittel durch den Kühlkanal zu fördern, hat sich bei der hier beschriebenen Entwicklung als besonders niedrig herausgestellt.Furthermore, the cooling pins of the plurality of cooling pins can be arranged such that no cooling pin intersects any other cooling pin of the plurality of cooling pins. This non-overlapping arrangement of the cooling pins in the cooling channel or in a portion of the cooling channel results in improved flow through the cooling channel and a reduction in pressure loss. The pressure required to convey the coolant through the cooling channel has proven to be particularly low in the development described here.
Vorzugsweise ist jeder Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins so angeordnet, dass er rundum von Kühlmittel umströmbar ist. Dadurch wird eine hohe Wärmeübertragung von den Kühlpins zum Kühlmittel ermöglicht.Preferably, each cooling pin of the plurality of cooling pins is arranged such that coolant can flow around it all around. This enables high heat transfer from the cooling pins to the coolant.
Es ist von Vorteil, wenn die Kühlpins der Vielzahl von Kühlpins so angeordnet sind, dass ein Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins keinen anderen Kühlpin der Vielzahl von Kühlpins berührt. Auf diese Weise wird zwischen den Kühlpins ein Abstand geschaffen. Auf diese Weise wird die Durchströmung des Kühlkanals erleichtert; der Druckverlust wird reduziert.It is advantageous if the cooling pins of the plurality of cooling pins are arranged such that one cooling pin of the plurality of cooling pins does not touch any other cooling pin of the plurality of cooling pins. In this way A gap is created between the cooling pins. This facilitates flow through the cooling channel and reduces pressure loss.
Vorzugsweise sind die Kühlpins stabförmig ausgebildet. Weiter vorzugsweise weisen die Kühlpins eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Durch die stabförmige bzw. zylindrische Ausbildung der Kühlpins wird eine große Kontaktoberfläche für den Wärmeübergang von den Kühlpins zum Kühlmittel geschaffen. Vorzugsweise verdicken sich die Kühlpins an der der Kühlwand zugewandten Seite, so dass der Querschnitt eines durch sie gebildeten Kühlkanals zumindest abschnittsweise eine geometrische Form aufweist, deren Breite, gemessen parallel zur Kühlwand, sich in Richtung der Kühlwand vermindert. Die Vorteile hierzu wurden weiter oben bereits beschrieben.The cooling pins are preferably rod-shaped. The cooling pins are also preferably substantially cylindrical. The rod-shaped or cylindrical design of the cooling pins creates a large contact surface for heat transfer from the cooling pins to the coolant. The cooling pins preferably thicken on the side facing the cooling wall, so that the cross-section of a cooling channel formed by them has, at least in sections, a geometric shape whose width, measured parallel to the cooling wall, decreases toward the cooling wall. The advantages of this have already been described above.
Vorzugsweise weisen die Kühlpins einen runden oder ovalen Querschnitt auf. Dadurch kann der Strömungswiderstand zusätzlich verringert werden.Preferably, the cooling pins have a round or oval cross-section. This can further reduce flow resistance.
Es ist von Vorteil, wenn der Kühlkanal eine zweite Kühlwand an der der ersten Kühlwand gegenüberliegenden Seite des Kühlkanals aufweist. Mit der „ersten Kühlwand“ ist hier generell die dem Substrat und der zu kühlenden elektrischen Einheit zugewandte Kühlwand gemeint.It is advantageous if the cooling channel has a second cooling wall on the side opposite the first cooling wall. The "first cooling wall" here generally refers to the cooling wall facing the substrate and the electrical unit to be cooled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Kühlpins der Vielzahl von Kühlpins von der ersten Kühlwand durchgängig bis zur zweiten Kühlwand. Auf diese Weise kann den Kühlpins sowohl von der ersten Kühlwand aus als auch von der zweiten Kühlwand aus Wärme zugeführt werden. Dadurch wird eine verbesserte Entwärmung erzielt.According to a preferred embodiment, the cooling pins of the plurality of cooling pins extend continuously from the first cooling wall to the second cooling wall. In this way, heat can be supplied to the cooling pins from both the first cooling wall and the second cooling wall. This achieves improved heat dissipation.
Vorzugsweise ist die erste Kühlwand im Wesentlichen parallel zur zweiten Kühlwand angeordnet. Die parallele Ausrichtung der ersten Kühlwand und der zweiten Kühlwand sorgt für eine homogene Durchströmung des Kühlkanals mit turbulenten Strömungsverhältnissen im Inneren.Preferably, the first cooling wall is arranged substantially parallel to the second cooling wall. The parallel alignment of the first cooling wall and the second cooling wall ensures a homogeneous flow through the cooling channel with turbulent flow conditions inside.
Es ist von Vorteil, wenn der Kühlkanal über den gesamten Kühlkörper hinweg einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist. Dadurch ergibt sich eine über den Kühlkanal hinweg konstante Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels. Dies ist vorteilhaft mit einer örtlichen Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit, die zu einem gewünschten turbulenten System führt.It is advantageous if the cooling channel has a substantially constant cross-section across the entire heat sink. This results in a constant coolant flow velocity throughout the cooling channel. This is advantageous with a local dependence of the flow velocity, which leads to a desired turbulent system.
Vorzugsweise weist der Kühlkanal einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Weiter ist es von Vorteil, wenn der Kühlkanal als im Wesentlichen quaderförmiger Kühlkanal ausgebildet ist. Durch derartige Geometrien wird die Ausbildung von ebenen Kontaktflächen zur thermischen Kontaktierung der zu kühlenden elektrischen Einheiten vereinfacht.Preferably, the cooling channel has a substantially rectangular cross-section. It is also advantageous if the cooling channel is configured as a substantially cuboid-shaped cooling channel. Such geometries simplify the formation of flat contact surfaces for thermally connecting the electrical units to be cooled.
Es ist von Vorteil, wenn es sich bei dem Kühlkörper um einen Mikrokühlkörper und bei der zu kühlenden elektrischen Einheit um ein Elektronikbauteil handelt. Gemäß dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, für jedes Elektronikbauteil einen gesonderten Mikrokühlkörper vorzusehen. Dadurch wird eine individuell auf das jeweilige Elektronikbauteil abgestimmte Entwärmung ermöglicht. Vorzugsweise handelt es sich bei der zu kühlenden elektrischen Einheit um eine elektronische Schaltungskomponente. Der Begriff „Mikrokühlkörper“ ist beispielsweise in
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper eine Zuführung auf, wobei über die Zuführung an einem ersten Ende des Kühlkanals Kühlmittel zuführbar ist. Weiter vorzugsweise weist der Kühlkörper eine Abführung auf, wobei über die Abführung an einem zweiten Ende des Kühlkanals Kühlmittel abführbar ist, wobei das zweite Ende des Kühlkanals entgegengesetzt zum ersten Ende des Kühlkanals angeordnet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der gesamte Kühlkörper mit Kühlmittel durchströmt wird.According to a preferred embodiment, the heat sink has an inlet, wherein coolant can be supplied via the inlet at a first end of the cooling channel. Further preferably, the heat sink has an outlet, wherein coolant can be discharged via the outlet at a second end of the cooling channel, wherein the second end of the cooling channel is arranged opposite the first end of the cooling channel. This allows coolant to flow through the entire heat sink.
Vorzugsweise besteht der Kühlkörper aus Metall. Metalle weisen generell eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kühlkörper aus Kupfer. Kupfer ist ein Metall mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit und wird daher bevorzugt für den Bau von Kühlkörpern verwendet. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform besteht der Kühlkörper aus einem anderen Material oder einer Kombination von Metallen, z.B. von Molybdän, Edelstahl, Nickel.The heat sink is preferably made of metal. Metals generally have high thermal conductivity. According to a preferred embodiment, the heat sink is made of copper. Copper is a metal with very high thermal conductivity and is therefore preferred for the construction of heat sinks. According to an alternative preferred embodiment, the heat sink is made of another material or a combination of metals, e.g., molybdenum, stainless steel, or nickel.
Vorzugsweise sind die Kühlpins des Kühlkörpers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere mittels selektivem Laserschmelzen, auch abgekürzt: „SLM“, hergestellt. Mittels derartiger additiver Fertigungsverfahren können die Kühlpins in weitestgehend beliebiger Orientierung auf die erste Kühlwand des Kühlkörpers aufgebracht werden. Auch bei der additiven Fertigung muss bei der Struktur z.B. im Inneren auf gewisse Beschränkungen geachtet werden, wie z.B. Aufbauwinkel, der insbesondere kleiner 45° sein sollte, der sonst ohne Stützstruktur nicht realisierbar wäre.Preferably, the cooling pins of the heat sink are manufactured using an additive manufacturing process, in particular selective laser melting, also abbreviated to "SLM." Using such additive manufacturing processes, the cooling pins can be applied to the first cooling wall of the heat sink in virtually any orientation. Even with additive manufacturing, certain restrictions must be observed in the structure, for example, on the inside, such as the installation angle, which should in particular be less than 45°, which would otherwise be impossible to achieve without a support structure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Einheit mechanisch und thermisch mit dem Kühlkörper verbunden.According to a preferred embodiment, the electrical unit is mechanically and thermally connected to the heat sink.
Vorzugsweise ist die elektrische Einheit mit dem Kühlkörper durch mindestens eines von folgenden verbunden: durch mindestens eine Lötverbindung, durch mindestens eine Schweißverbindung, durch Sintern. Wenn der Kühlkörper beispielsweise mit der zu kühlenden elektrischen Einheit fest verlötet wird, wird durch das Verlöten eine verbesserte thermische Kopplung ermöglicht. Auch mittels einer Schweißverbindung oder durch Sintern kann beispielsweise eine verbesserte thermische Kopplung zwischen dem Kühlkörper und der zu kühlenden elektrischen Einheit erzielt werden.Preferably, the electrical unit is connected to the heat sink by at least one of the following: by at least one solder connection by at least one welded joint, or by sintering. For example, if the heat sink is firmly soldered to the electrical unit to be cooled, the soldering enables improved thermal coupling. Improved thermal coupling between the heat sink and the electrical unit to be cooled can also be achieved, for example, by means of a welded joint or by sintering.
Weiter vorzugsweise ist die elektrische Einheit mittels einer Schicht aus Wärmeleitpaste mit dem Kühlkörper verbunden. Auch in diesem Fall kann es von Vorteil sein, den Kühlkörper bei Bedarf aus der Kühleinheit entnehmen zu können.Further preferably, the electrical unit is connected to the heat sink by means of a layer of thermal paste. In this case, too, it may be advantageous to be able to remove the heat sink from the cooling unit if necessary.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die oben beschriebene Elektronikbaugruppe eine Leiterplatte auf, mit der die elektrische Einheit eine feste mechanische Verbindung aufweist. Diese feste mechanische Verbindung kann z.B. durch das Anlöten von elektrischen Anschlüssen der elektrischen Einheit an der Leiterplatte erfolgen. Bei dieser Ausführungsform bilden die Leiterplatte, die elektrische Einheit und der Kühlkörper eine bauliche Einheit, die beispielsweise in ihrer Gesamtheit in die Kühleinheit einsetzbar ist.According to a preferred embodiment, the electronic assembly described above comprises a printed circuit board to which the electrical unit has a fixed mechanical connection. This fixed mechanical connection can be achieved, for example, by soldering electrical connections of the electrical unit to the printed circuit board. In this embodiment, the printed circuit board, the electrical unit, and the heat sink form a structural unit that can, for example, be inserted as a whole into the cooling unit.
Vorzugsweise umfasst die Elektronikbaugruppe eine Vielzahl von zu kühlenden elektrischen Einheiten, die mit der Leiterplatte eine feste mechanische Verbindung aufweisen, sowie eine Vielzahl von Kühlkörpern. Die Elektronikbaugruppe mit der Vielzahl von Kühlkörpern kann in ihrer Gesamtheit in die Kühleinheit eingesetzt werden. Dabei weist die Kühleinheit vorzugsweise eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, die dazu ausgelegt sind, die Vielzahl von Kühlkörpern aufzunehmen. Dadurch, dass die Elektronikbaugruppe aus der Kühleinheit herausnehmbar ist, wird beispielsweise die Wartung erleichtert.The electronic assembly preferably comprises a plurality of electrical units to be cooled, which have a fixed mechanical connection to the circuit board, as well as a plurality of heat sinks. The electronic assembly with the plurality of heat sinks can be inserted in its entirety into the cooling unit. The cooling unit preferably has a plurality of recesses designed to accommodate the plurality of heat sinks. The fact that the electronic assembly is removable from the cooling unit facilitates maintenance, for example.
Vorzugsweise weist die Kühleinheit mindestens eine Aufnehmungsvorrichtung für mindestens ein Befestigungsmittel auf.Preferably, the cooling unit has at least one receiving device for at least one fastening means.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Befestigung des Kühlkörpers mittels mindestens einem von der Seite der ersten Kühlwand zugänglichen Befestigungsmittel, das in die mindestens eine Aufnehmungsvorrichtung eingreift, erfolgen. Wenn das mindestens eine Befestigungsmittel in die mindestens eine Aufnehmungsvorrichtung auf Seiten der Kühleinheit eingreift, kann der Kühlkörper so beispielsweise an der Kühleinheit befestigt werden.According to a preferred embodiment, the heat sink can be attached by means of at least one fastening means accessible from the side of the first cooling wall, which engages with the at least one receiving device. If the at least one fastening means engages with the at least one receiving device on the side of the cooling unit, the heat sink can thus be attached to the cooling unit, for example.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die fluiddichte Abdichtung der ersten fluidischen Verbindung und der zweiten fluidischen Verbindung mit mindestens einem Befestigungsmittel, das von der Seite der zu kühlenden elektrischen Einheit aus zugänglich ist, herstellbar. Wenn das mindestens eine Befestigungsmittel von der Seite der zu kühlenden elektrischen Einheit aus zugänglich ist, kann das Einsetzen und Entnehmen des Kühlkörpers in die Kühleinheit erleichtert sein.According to a further preferred embodiment, the fluid-tight seal of the first fluidic connection and the second fluidic connection can be established with at least one fastening means that is accessible from the side of the electrical unit to be cooled. If the at least one fastening means is accessible from the side of the electrical unit to be cooled, the insertion and removal of the heat sink into the cooling unit can be facilitated.
Es ist von Vorteil, wenn die Kühleinheit eine Aufnahme für den Kühlkörper aufweist, in die der Kühlkörper einsetzbar ist. Dadurch kann beispielsweise eine passgenaue Fixierung des Kühlkörpers in der Kühleinheit ermöglicht werden.It is advantageous if the cooling unit has a mount for the heat sink into which the heat sink can be inserted. This allows, for example, a precise fixation of the heat sink in the cooling unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinheit dazu ausgebildet, einer Vielzahl von Kühlkörpern Kühlmittel zuzuführen und von der Vielzahl von Kühlkörpern Kühlmittel abzuführen.According to a preferred embodiment, the cooling unit is designed to supply coolant to a plurality of heat sinks and to remove coolant from the plurality of heat sinks.
Vorzugsweise weist die Kühleinheit eine Vielzahl von Aufnahmen auf, in die eine Vielzahl von Kühlkörpern einsetzbar ist. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, eine Elektronikbaugruppe, die eine Vielzahl von Kühlkörpern aufweist, in ihrer Gesamtheit in die Aufnahmen der Kühleinheit einzusetzen.Preferably, the cooling unit has a plurality of receptacles into which a plurality of heat sinks can be inserted. This makes it possible, for example, to insert an electronic assembly comprising a plurality of heat sinks in its entirety into the receptacles of the cooling unit.
Vorzugsweise besteht die Kühleinheit ganz oder teilweise aus Metall oder ganz oder teilweise aus Kunststoff.Preferably, the cooling unit is made entirely or partly of metal or entirely or partly of plastic.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind innerhalb der Kühleinheit Nuten vorgesehen, in die Rohrleitungen einpressbar sind. Die Rohrleitungen können beispielsweise einen ersten Strömungskanal zur Zuführung von Kühlmittel und einen zweiten Strömungskanal zur Abführung von Kühlmittel umfassen.According to a preferred embodiment, grooves are provided within the cooling unit into which pipes can be pressed. The pipes can, for example, comprise a first flow channel for supplying coolant and a second flow channel for discharging coolant.
Vorzugsweise besteht die Wandung der Rohrleitungen ganz oder überwiegend aus einem Material, vorzugsweise Kupfer, das verglichen mit anderen Bereichen der Kühleinheit eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Wandung der Rohrleitungen kann beispielsweise die Entwärmung der zu kühlenden elektrischen Einheit weiter verbessert werden.Preferably, the pipe walls consist entirely or predominantly of a material, preferably copper, that has a higher thermal conductivity than other areas of the cooling unit. The high thermal conductivity of the pipe walls can, for example, further improve the heat dissipation of the electrical unit to be cooled.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühleinheit eine Verteilereinheit, die den ersten Fluidport und den zweiten Fluidport aufweist. Die Verteilereinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, mindestens einen Kühlkörper mit Kühlmittel zu versorgen und das rückströmende Kühlmittel abzuführen.According to a preferred embodiment, the cooling unit comprises a distribution unit having the first fluid port and the second fluid port. The distribution unit is preferably designed to supply at least one heat sink with coolant and to discharge the returning coolant.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühleinheit eine Trägereinheit. In die Trägereinheit kann die Verteilereinheit eingesetzt sein.According to a preferred embodiment, the cooling unit comprises a support unit. The distribution unit can be inserted into the support unit.
Vorzugsweise besteht die Trägereinheit ganz oder teilweise aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium.Preferably, the carrier unit consists entirely or partially of metal, preferably of aluminum.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verteilereinheit als Kühleinsatz ausgebildet ist, der verglichen mit anderen Bereichen der Kühleinheit aus einem Material höherer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer, besteht. Beispielsweise kann der Kühleinsatz mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt stehen, so dass die Entwärmung des Kühlkörpers durch den thermischen Kontakt mit dem Kühleinsatz verbessert wird. Auf diese Weise werden Kosten und Gewicht eingespart, da nicht die ganze Trägereinheit aus dem teureren und zumeist schwereren Material, wie z.B. Kupfer, gefertigt werden muss.It is advantageous if the distribution unit is designed as a cooling insert, which is made of a material with higher thermal conductivity than other areas of the cooling unit, preferably copper. For example, the cooling insert can be in thermal contact with the heat sink, so that the heat dissipation of the heat sink is improved by the thermal contact with the cooling insert. This saves costs and weight, as the entire support unit does not have to be manufactured from the more expensive and usually heavier material, such as copper.
Vorzugsweise ist innerhalb der Kühleinrichtung ein Kühlstrom vom ersten Fluidport zur Kühlmittelzuführung über den Kühlkanal und die Kühlmittelabführung zum zweiten Fluidport ausbildbar. Mittels dieses Kühlstroms lässt sich beispielsweise die von der zu kühlenden elektrischen Einheit erzeugte Wärme abtransportieren.Preferably, a cooling flow can be formed within the cooling device from the first fluid port for the coolant supply via the cooling channel and the coolant discharge to the second fluid port. This cooling flow can be used, for example, to dissipate the heat generated by the electrical unit to be cooled.
Vorzugsweise ist die Kühleinheit dazu ausgelegt, dem Kühlkörper über den ersten Fluidport Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, bevorzugt Kühlwasser, zuzuführen und vom Kühlkörper über den zweiten Fluidport Kühlmittel abzuführen.Preferably, the cooling unit is designed to supply coolant, in particular cooling liquid, preferably cooling water, to the heat sink via the first fluid port and to discharge coolant from the heat sink via the second fluid port.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.Further advantageous embodiments are described in more detail below with reference to several exemplary embodiments shown in the drawings, to which the invention is not, however, limited.
Es zeigen schematisch:
-
1 zeigt eine Elektronikbaugruppe mit einer Kühlanordnung. -
2 zeigt einen Längsschnitt durch Kühlanordnung und Kühleinheit. -
3 zeigt eine Darstellung einer Leiterplatte mit zwei an der Leiterplatte angeordneten Kühlanordnungen. -
4 zeigt einen elektrischen Leistungsumwandler für eine Industrieprozessanordnung, vorzugsweise Plasmaprozessanordnung oder Erwärmungsanordnung. -
5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines mittels additivem Verfahren hergestellten Kühlkörpers. -
6a - 6d zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Kühlkanälen im Kühlkörper.
-
1 shows an electronic assembly with a cooling arrangement. -
2 shows a longitudinal section through the cooling arrangement and cooling unit. -
3 shows a representation of a printed circuit board with two cooling arrangements arranged on the circuit board. -
4 shows an electrical power converter for an industrial process arrangement, preferably a plasma process arrangement or heating arrangement. -
5 shows a possible design of a heat sink manufactured using an additive process. -
6a - 6d show different designs of cooling channels in the heat sink.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Entwicklung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of preferred embodiments of the present development, like reference numerals designate like or comparable components.
Die Kühlanordnung 7 weist dabei einen Kühlkörper 5 und ein mit ihm formschlüssig verbundenes Substrat 6 auf. Der Kühlkörper 5 weist dabei einen Kühlkanal 35 auf, der in einer vorgesehenen Flussrichtung von Kühlmittel durchströmbar ist. Der Kühlkörper 5 weist dabei ferner eine Kühlwand 50 an der der zu kühlenden elektrische Einheit 10 zugewandten Seite des Kühlkanals 35 auf. Das Substrat 6 ist formschlüssig mit dem Kühlkörper 5 an der Kühlwand 50 verbunden. Auf der dem Kühlkörper 5 abgewandten Seite ist die elektrische Einheit 10 mechanisch fest mit dem Substrat verbunden. Die elektrische Einheit 10 weist auf:
- -
11a,eine Leiterstruktur 11b 11c, zusammen bezeichnetals Metallisierung 11, - - einen 3-poligen Halbleiter-
Baustein 12, der insbesondere ein Transistor sein kann, - - weitere zu kühlende 2-polige Halbleiter-
13a, 13b, z.B. Dioden,Bausteine - - Bonding-
Drähte 29 zum Verbinden der Anschlüsse der Halbleiter- 12, 13a, 13b untereinander oderBausteine 11a,mit der Leiterstruktur 11b 11c .
- - a
11a,conductor structure 11b 11c, together referred to asmetallization 11, - - a 3-
pin semiconductor component 12, which may in particular be a transistor, - - further 2-
13a, 13b to be cooled, e.g. diodes,pole semiconductor components - -
Bonding wires 29 for connecting the terminals of the 12, 13a, 13b to each other or to thesemiconductor components 11a,conductor structure 11b 11c .
Der 3-polige Halbleiter-Baustein 12 kann als Bare-Die-Schicht 14 ausgelegt sein. So kann eine sehr direkte Wärmekopplung erzielt werden. Er kann formschlüssig und fest, z.B. durch eine Lötverbindung mit der Leiterstruktur 11c verbunden sein. Das ergibt einen besonders geringen und stabilen Wärmeübergangswiderstand.The 3-
Einer oder mehrere, insbesondere alle zu kühlenden 2-poligen Halbleiter-Bausteine 13a, 13b können als Bare-Die-Schicht 14 ausgelegt sein. So kann eine sehr direkte Wärmekopplung erzielt werden. Sie können formschlüssig und fest, z.B. durch eine Lötverbindung mit der Leiterstruktur 11c verbunden sein. Das ergibt einen besonders geringen und stabilen Wärmeübergangswiderstand. Der 3-polige Halbleiter-Baustein 12 und die 2-poligen Halbleiter-Bausteine 13a, 13b werden übergreifend auch als Halbleiterbauelemente bezeichnet.One or more, in particular all, of the 2-
Diese Halbleiterbauelemente können Leistungshalbleiterbausteine darstellen, z.B. Transistoren und/oder Dioden zum Schalten und Führen sehr hoher Leistung, eines sehr hohen Stroms und/oder einer sehr hohen Spannung. Die Leistung kann z.-B 10 kW oder mehr betragen. Die Spannung kann z.B. 400 V oder mehr, insbesondere 1 kV oder mehr betragen Der Strom kann z.B. 10 A oder mehr, insbesondere 50 A oder mehr betragen. Die Schalt-Frequenz kann dabei z.B. 10 kHz oder mehr, bevorzugt 100 kHz oder mehr, insbesondere 1 MHz oder mehr betragen.These semiconductor components can be power semiconductor devices, e.g., transistors and/or diodes for switching and conducting very high power, a very high current, and/or a very high voltage. The power can be, for example, 10 kW or more. The voltage can be, for example, 400 V or more, in particular 1 kV or more. The current can be, for example, 10 A or more, in particular 50 A or more. The switching frequency can be, for example, 10 kHz or more, preferably 100 kHz or more, in particular 1 MHz or more.
In
Bei dem Substrat 6 kann es sich vorzugsweise um ein Keramiksubstrat handeln. Als Keramikmaterialien kommen zum Beispiel in Frage Aluminiumoxid-Keramik, Berylliumoxid-Keramik, Aluminiumnitrid-Keramik, Saphir. Die Metallisierung 11 kann mittels eines Bondingverfahrens auf das Substrat 6 aufgebracht werden, beispielsweise mittels Direct-Bonded Copper. Bei diesem Verfahren kann eine Kupferfolie unter Druck und hoher Temperatur mit dem Substrat, beispielsweise dem Keramiksubstrat, verbunden werden. Alternativ kämen Metallisierungsverfahren wie zum Beispiel IMB (Insulated Metal Substrate) oder AMB (Active Metal Brazed) in Frage. Eine solche formschlüssige Verbindung weist einen sehr guten und stabilen Wärmeübergang auf.The
Auf der von der Bare-Die-Schicht 14 abgewandten Seite des Substrats 6 ist ebenfalls eine Metallisierung 9 angebracht. Auch die Metallisierung 9 kann mittels eines zuvor genannten Bondingverfahrens auf das Substrat 6 aufgebracht sein, beispielsweise mittels Direct-Bonded Copper. Mit der Metallisierung 9 ist der Kühlkörper 5 fest verbunden. Eine solche formschlüssige Verbindung weist einen sehr guten und stabilen Wärmeübergang auf.A
Bei dem in
Zur Herstellung der in
Gemäß einem zweiten, alternativen Fertigungsverfahren werden alle Schichten, also sowohl die Metallisierungen 9, 11 des Substrats 6, als auch die Metallfolien 27g-m, aus denen der Kühlkörper 5 gebildet wird, in einem Bonding-Prozess unter hohem Druck und bei hoher Temperatur miteinander verbunden, vorzugsweise mittels Direct-Copper-Bonding und Direct-Bonded Copper.According to a second, alternative manufacturing method, all layers, i.e. both the
Weiter bevorzugt wird in dem gleichen Schritt auch die Metallisierung 11 auf der Oberseite des Substrats 6 aufgebracht. Die Ausformung der Metallisierung 11 zu den Leiterstrukturen 11a, 11b, 11c kann anschließend z.B. durch ein Ätzverfahren erfolgen.Further preferably, the
Die Kühlanordnung 7 ist ausgelegt, dass im Betrieb das Kühlmittel mit einem vorgegebenem Betriebsdruck, der über dem Umgebungsdruck liegt, der am Substrat auf der Seite der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 anliegt, durch den Kühlkanal 35 geführt wird. Ein Abstand D zwischen Kühlkanal 35 und Kühlwand 50 ist dabei so klein gewählt, dass der Kühlkörper 5 ohne das formschlüssig mit ihm verbundene Substrat 6 bei dem vorgegebenen Betriebsdruck keine ausreichende Form-Stabilität und/oder Dichtheit sicherstellen kann. Das Substrat 6 und dessen formschlüssige Verbindung mit dem Kühlkörper 5 an der Kühlwand 50 ist aber so ausgelegt, dass die Kühlanordnung 7 diese ausreichende Form-Stabilität und Dichtheit sicherstellen kann. Der Kühlkörper 5 ist monolithisch aufgebaut.The
Insbesondere kann der Abstand D gleich oder kleiner als oder gleich der Dicke der Metallisierung 9 und/oder kleiner als oder gleich 50 µm sein.In particular, the distance D may be equal to or less than or equal to the thickness of the
Der Kühlkanal 35 ist dadurch gekennzeichnet ist, dass sein Querschnitt Q zumindest abschnittsweise eine geometrische Form F aufweist, deren Breite B, gemessen parallel zur Kühlwand 50, sich in Richtung der Kühlwand 50 vermindert. Dabei weist die geometrische Form F des Querschnitts Q an der Kühlwand 50 zumindest abschnittsweise einen Abstand D zum Substrat 6 auf, der so klein ausgelegt ist, dass bei dem vorgegebenem Betriebsdruck des Kühlmittels der Kühlkörper 5 ohne das formschlüssig mit ihm verbundene Substrat 6 keine ausreichende Form-Stabilität und/oder Dichtheit sicherstellen kann.The cooling
Als Alternative zu der in
In
Der Kühlkörper 5, der in
Vorzugsweise ist die elektrische Einheit 10 mit dem Kühlkörper 5, 85 mechanisch und thermisch verbunden. Die elektrische Einheit 10 kann mit dem Kühlkörper 5, 85 beispielsweise mittels einer oder mehrerer Lötverbindungen verbunden sein. Eine weitere Möglichkeit ist, die elektrische Einheit 10 mit dem Kühlkörper 5, 85 beispielsweise mittels Sintern zu verbinden. Alternativ dazu ist es möglich, die elektrische Einheit 10 mit dem Kühlkörper 5, 85 zu verschweißen. Als weitere allerdings weniger vorteilhafte Alternative könnte die elektrische Einheit 10 auch mittels einer Schicht aus Wärmeleitpaste mit dem Kühlkörper 5, 85 verbunden sein. Ein Aspekt der Erfindung liegt aber darin, die Verbindung zwischen der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 mit dem Kühlkörper 5, 85 mit so wenig zusätzlichen Materialien und so dünn wie möglich zu realisieren. Es stellte sich bei den Überlegungen, Simulationen und Versuchen zu dieser Erfindung heraus, dass dies insbesondere dann möglich ist, wenn der fluiddurchströmte Kühlkörper fest, insbesondere stoffschlüssig, mit der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 verbunden ist. Das kann z.B. durch eine Lötverbindung, Sintern, Pressen oder „direct copper bonding“, abgekürzt: „DCB“, erfolgen. Mit „fest“ kann hier gemeint sein: „nur zerstörerisch lösbar“. Also mit Mitteln der Verbindung, die auch mit Werkzeug nicht lösbar sind, ohne entweder die zu kühlende elektrische Einheit 10 oder den Kühlkörper 5, 85 oder beide Komponenten zu zerstören. Es wurde weiter erkannt, dass eine solche Lösung nur realisierbar sein wird, wenn man zu einer neuen Lösung der Wechselbarkeit der Leiterkarte zusammen mit elektronischen Bauteilen und insbesondere mit der an ihr befestigten zu kühlenden elektrischen Einheit 10 kommen kann. Dies ist mit dem vorgeschlagenen Kühlkörper 5 gelungen.Preferably, the
Der Kühlkörper 5, 85 und die elektrische Einheit 10, die mit dem Kühlkörper 5 mechanisch fest verbunden ist, bilden zusammen eine Elektronikbaugruppe 24. Diese Elektronikbaugruppe 24 kann in die Aufnahme 23 der Kühleinheit 22 eingesetzt und aus dieser Aufnahme 23 wieder entnommen werden.The
Die Kühleinheit 22 ist dazu ausgelegt, dem an der Kühleinheit 22 angebrachten Kühlkörper 5 Kühlmittel zuzuführen und das Kühlmittel wieder abzuführen, nachdem das Kühlmittel den Kühlkörper 5, 85 durchströmt hat. Innerhalb der Kühleinheit 22 ist ein erster Strömungskanal 25 zu erkennen, über den dem Kühlkörper 5, 85 Kühlmittel zugeführt werden kann. Innerhalb der Kühleinheit 22 ist ein zweiter Strömungskanal 30 zu erkennen, über den das Kühlmittel abgeführt werden kann. Der Kühlkörper 5, 85 weist einen Kühlkanal 35 auf, der von dem Kühlmittel durchströmt werden kann. An einem ersten Ende des Kühlkanals 35 ist eine Kühlmittelzuführung 40 und an dem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Kühlkanals 35 ist eine Kühlmittelabführung 45 vorgesehen. Die Kühlmittelzuführung 40 und die Kühlmittelabführung 45 sind mit dem Kühlkanal 35 fluidisch verbunden.The cooling
Die Kühleinheit 22 umfasst einen ersten Fluidport 41, der mit dem ersten Strömungskanal 25 fluidisch verbunden ist, sowie einen zweiten Fluidport 46, der mit dem zweiten Strömungskanal 30 fluidisch verbunden ist. Beim Einsetzen und anschließenden Befestigen des Kühlkörpers 5 in der Aufnahme 23 wird eine erste fluidische Verbindung zwischen dem ersten Fluidport 41 und der Kühlmittelzuführung 40 sowie eine zweite fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Fluidport 46 und der Kühlmittelabführung 45 ausgebildet.The cooling
Zur Abdichtung der ersten fluidischen Verbindung ist ein erster Dichtring 42 in einer Nut 43 zwischen der Kühleinheit 22 und dem Kühlkörper 5 angeordnet, wobei der Dichtring 42 den ersten Fluidport 41 ringsum umschließt. Ebenso ist am zweiten Fluidport 46 ein den zweiten Fluidport 46 ringsum umschließender zweiter Dichtring 44 vorgesehen, der in einer Nut 43 zwischen der Kühleinheit 22 und dem Kühlkörper 5 angeordnet ist. Bei der Befestigung des mindestens einen Befestigungsmittels 15, beispielsweise beim Festziehen der mindestens eine Schraube, wird der Kühlkörper 5 gegen den ersten Fluidport 41 und den ersten Dichtring 42 sowie gegen den zweiten Fluidport 46 und den zweiten Dichtring 44 gepresst. Infolge dieses Anpressens werden eine flüssigkeitsdichte erste fluidische Verbindung und eine flüssigkeitsdichte zweite fluidische Verbindung zwischen der Kühleinheit 22 und dem Kühlkörper 5 ausgebildet.To seal the first fluidic connection, a
Wie in
Der Kühlkörper 5 weist auf der der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 zugewandten Seite eine erste Kühlwand 50 auf. An der von der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 abgewandten Seite des Kühlkörpers 5 wird der Kühlkanal 35 durch eine zweite Kühlwand 55 begrenzt, die der ersten Kühlwand 50 gegenüberliegt. Vorzugsweise ist die zweite Kühlwand 55 parallel zur ersten Kühlwand 50 ausgebildet.The
Die Elektronikbaugruppe 24 kann Teil einer leistungselektronischen Baueinheit sein, wie sie z.B. in
In dem in
Um den thermischen Austausch zwischen dem durch den Kühlkanal 35 strömenden Kühlmittel und dem Kühlkörper 5 zu verbessern, können im Inneren des Kühlkanals 35 eine Vielzahl von Kühlpins 65 angeordnet sein, die sich von der ersten Kühlwand 50 aus und/oder von der zweiten Kühlwand 55 aus in den Kühlkanal 35 hinein erstrecken. Die Kühlpins 65 werden von Kühlmittel umströmt und sorgen für eine verbesserte thermische Kopplung zwischen dem Kühlkörper 5 und dem Kühlmittel.To improve the thermal exchange between the coolant flowing through the cooling
In
Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen insbesondere im Bereich der Leistungselektronik besteht ein Bedürfnis, eine zu kühlende elektrische Einheit, beispielsweise ein Halbleiterelement oder eine Halbleiteranordnung bei Bedarf von der restlichen Baugruppe zu lösen. Um eine lösbare Anbringung der zu kühlenden elektrischen Einheit am Kühlkörper zu ermöglichen, werden die zu kühlenden elektrischen Einheiten häufig lösbar an den zugehörigen Kühlkörpern angebracht, beispielsweise unter Verwendung von Wärmeleitpaste. Daraus ergibt sich der Nachteil einer vergleichsweisen geringen thermischen Kopplung zwischen der zu kühlenden elektrischen Einheit und dem Kühlkörper. Dieser Nachteil kann durch die hier erläuterten Merkmale umgangen werden.In a variety of technical applications, particularly in the field of power electronics, there is a need to detach an electrical unit to be cooled, for example a semiconductor element or a semiconductor arrangement, from the rest of the assembly when necessary. To enable detachable attachment of the electrical unit to be cooled to the heat sink, the electrical units to be cooled are often detachably attached to the associated heat sinks, for example using thermal paste. This results in the disadvantage of comparatively low thermal coupling between the electrical unit to be cooled and the heat sink. This disadvantage can be avoided by the features explained here.
In
Neben der zu kühlenden elektrischen Einheit 10 ist in
Mit einer elektrischen Verbindung ist in dieser Schrift insbesondere eine hochwertige, niederohmige und niederinduktive Verbindung gemeint. Sie sollte bevorzugt einen Übergangswiderstand von 0,2 Ω oder weniger und bevorzugt eine Übergangsinduktivität von 5 nH oder weniger aufweisen.In this document, an electrical connection refers specifically to a high-quality, low-resistance, and low-inductance connection. It should preferably have a contact resistance of 0.2 Ω or less and preferably a contact inductance of 5 nH or less.
Mit einer „Thermischen Verbindung“ ist in dieser Schrift insbesondere eine hochwertige thermische Verbindung mit einem niedrigen Wärmewiderstand gemeint.In this document, a “thermal connection” refers in particular to a high-quality thermal connection with a low thermal resistance.
Die Anforderung ergibt sich aus einer vorhersagbarenr Verlustleistung, z.B. in einem Halbleiter-Baustein, und dem System-Wärmewiderstand Rth_sys von Bare-Die bis in die Kühlflüssigkeit. Der System-Wärmewiderstand Rth_sys berechnet sich als Summe aller Wärmewiderstände. Der erste wichtige Wärmewiderstand, der durch die Kühlanordnung nicht beeinflussbar ist, ist der Wärmewiderstand zwischen Bare-Die oder Chip und Bare-Die-Kühlfläche. Er wird vom Hersteller mit Rth_J/C (von engl. Junction/Case) angegeben. Er ist von der Kühlfläche des Halbleiter-Bausteins abhängig und liegt bei derzeit üblichen Transistoren z.B. zwischen 0,7 K/W und 0,8 K/W.The requirement arises from a predictable power dissipation, e.g., in a semiconductor component, and the system thermal resistance Rth_sys from the bare die to the cooling liquid. The system thermal resistance Rth_sys is calculated as the sum of all thermal resistances. The first important thermal resistance, which cannot be influenced by the cooling arrangement, is the thermal resistance between the bare die or chip and the bare die cooling surface. It is specified by the manufacturer as Rth_J/C (junction/case). It depends on the cooling surface of the semiconductor component and, for currently common transistors, is between 0.7 K/W and 0.8 K/W.
Wie zuvor erwähnt, werden bei modernen Plasmaprozessanwendungen, insbesondere bei der Fertigung von Halbleitern, wie Computer- oder Speicherchips, hohe Anforderungen an elektrische Leistungsumwandler gestellt. Diese sind oftmals nur zu erreichen, wenn der oder die Halbleiter-Bausteine ausgelegt sind, eine erhebliche Verlustleistung zu absorbieren. Diese kann z.B. bei größer gleich 1 kW liegen. Um dies zu erreichen, sollte bevorzugt ein System-Wärmewiderstand kleiner oder gleich 0,15 K/W gemessen von Bare-Die oder Chip zu Kühlflüssigkeit erreicht werden. Nach aufwändigen Simulationen und Versuchen konnte festgestellt werden, dass dies mit der vorliegenden leistungselektronischen Baueinheit erreicht werden kann. Dabei sind weitere Verbesserungen nicht ausgeschlossen und stets erwünscht.As previously mentioned, modern plasma process applications, particularly in the production of semiconductors such as computer or memory chips, place high demands on electrical power converters. These demands can often only be met if the semiconductor component(s) are designed to absorb significant power losses. This can, for example, be greater than or equal to 1 kW. To achieve this, a system thermal resistance of less than or equal to 0.15 K/W, measured from bare die or chip to coolant, should preferably be achieved. After extensive simulations and tests, it was determined that this can be achieved with the present power electronics component. Further improvements are not excluded and are always welcome.
Die in
Auch der weitere Kühlkörper 85 wird beim Befestigen in der weiteren Aufnahme 92 fluidisch mit der Kühleinheit 22 verbunden. In der Schnittdarstellung von
Die in
Die Industrieprozessanordnung 1 weist auf:
- - einen elektrischen Leistungsumwandler 4,
- - eine Last 2, vorzugsweise einen Plasmaprozess oder Erwärmungsprozess, z.B. einen Induktions- oder Mikrowellen-Erwärmungsprozess, wobei die Last 2 mit
dem elektrischen Leistungsumwandler 4 elektrisch verbunden ist, so dass der elektrische Leistungsumwandler 4 die Last 2 mit der benötigten elektrischen Leistung versorgen kann, - - optional eine zusätzliche Anpassungseinheit 3, die
zwischen Leistungsumwandler 4 und die Last 2 geschaltet ist.
- - an
electrical power converter 4, - - a
load 2, preferably a plasma process or heating process, e.g. an induction or microwave heating process, wherein theload 2 is electrically connected to theelectrical power converter 4 so that theelectrical power converter 4 can supply theload 2 with the required electrical power, - - optionally an additional adaptation unit 3, which is connected between the
power converter 4 and theload 2.
Der Leistungsumwandler 4 weist auf:
- -
einen Kühlkörper 5, und einen weiteren Kühlkörper 85, wie zuvor und nachfolgend beschrieben, - -
eine Kühleinheit 22, die wie zuvor und nachfolgend beschrieben eine oder mehrere Verteilereinheiten 20 und eine Trägereinheit 21 aufweist, - -
eine Leiterplatte 75, - - eine elektrische Einheit 10, bevorzugt eine Halbleiteranordnung, vorzugsweise aufweisend ein Leistungshalbleiterbauelement,
- - weitere elektronische Bauteile 8a, 8b, 8c,
wobei die elektrische Einheit 10
- - a
heat sink 5, and anotherheat sink 85, as described above and below, - - a
cooling unit 22 comprising one ormore distribution units 20 and asupport unit 21 as described above and below, - - a
circuit board 75, - - an
electrical unit 10, preferably a semiconductor device, preferably comprising a power semiconductor component, - - other
electronic components 8a, 8b, 8c,
wherein the
In
Die Vielzahl von Kühlpins 65 erstreckt sich von der ersten Kühlwand 50 aus ins Innere des Kühlkanals 40. Gemäß der in
Die Vielzahl von Kühlpins 65 umfasst Kühlpins 125 einer ersten Kategorie, die in einer ersten Neigungsrichtung 130 ausgerichtet sind. Die erste Neigungsrichtung 130 ist relativ zu einer zur ersten Kühlwand 50 senkrechten Richtung 135 schräg geneigt. Darüber hinaus umfasst die Vielzahl von Kühlpins 65 Kühlpins 140 einer zweiten Kategorie, die in einer zweiten Neigungsrichtung 145 ausgerichtet sind. Die zweite Neigungsrichtung 145 ist gegenüber der zur ersten Kühlwand 50 senkrechten Richtung 135 schräg geneigt ausgebildet, wobei sich die zweite Neigungsrichtung 145 von der ersten Neigungsrichtung 130 unterscheidet.The plurality of cooling pins 65 includes cooling pins 125 of a first category, which are aligned in a
Die innerhalb des Kühlkanals angeordneten Kühlpins 65 werden bevorzugt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, vorzugsweise mittels selektivem Laserschmelzen.The cooling pins 65 arranged within the cooling channel are preferably manufactured by means of an additive manufacturing process, preferably by means of selective laser melting.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
Gezeigt ist jeweils die Bestimmung des Abstands D.The determination of the distance D is shown in each case.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The features disclosed in the above description, the claims and the drawings may be important both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10 2023 131 877.2 [0154]
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