DE-102024210598-A1 - Kühlanordnung für elektrisch nicht isolierte Bauelemente eines Elektronikmoduls, und Montageverfahren

Abstract

Bereitgestellt wird eine Kühlanordnung für elektrisch nicht isolierte Bauelemente eines Elektronikmoduls, aufweisend eine Trägerstruktur, mindestens ein elektrisch nicht isoliertes Bauelement, das mit einer Unterseite auf der Trägerstruktur angeordnet ist, und dessen Oberseite einen elektrisch nicht isolierten Bereich aufweist, eine mindestens dreischichtige Kühlstruktur, umfassend als unterste Schicht ein mehrteiliges thermisches Interfacematerial und als oberste Schicht mindestens ein thermisches Interfacematerial, sowie als mittlere Schicht eine Isolationsschicht, wobei je Bauelement eine ein Teil der untersten Schicht auf der Oberseite des Bauelements aufgelegt ist, und wobei die mittlere Schicht und die mindestens eine oberste Schicht vollflächig über die Bauelemente aufgelegt sind. Auf der obersten Schicht der Kühlstruktur ist ein wärmeabführendes Bauteil angeordnet. Ferner ist eine mechanische Befestigungskomponente vorgesehen, welche die Trägerstruktur und die Kühlstruktur an dem wärmeabführenden Bauteil mechanisch derart verbindet, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebenen Druck an das wärmeabführende Bauteil gepresst ist.

Inventors

• Torsten Scheller
• Marco Englhard

Assignees

• ZF FRIEDRICHSHAFEN AG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (10)

1. Kühlanordnung für elektrisch nicht isolierte Bauelemente (2) eines Elektronikmoduls, aufweisend: - eine Trägerstruktur (1), - mindestens ein elektrisch nicht isoliertes Bauelement (2), das mit einer Unterseite auf der Trägerstruktur (1) angeordnet ist, und dessen Oberseite einen elektrisch nicht isolierten Bereich aufweist, - eine mindestens dreischichtige Kühlstruktur, umfassend als unterste Schicht (3) ein mehrteiliges thermisches Interfacematerial und als oberste Schicht (5) mindestens ein thermisches Interfacematerial, sowie als mittlere Schicht (4) eine Isolationsschicht, wobei je Bauelement (2) ein Teil der untersten Schicht (3) auf der Oberseite des Bauelements (2) aufgelegt ist, und wobei die mittlere Schicht (4) und die mindestens eine oberste Schicht (5) vollflächig über die Bauelemente (2) aufgelegt sind, - ein auf der obersten Schicht (5) der Kühlstruktur angeordnetes, wärmeabführendes Bauteil (6), - eine mechanische Befestigungskomponente (8), welche die Trägerstruktur (1) und die Kühlstruktur an dem wärmeabführenden Bauteil (6) mechanisch derart verbindet, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebenen Druck an das wärmeabführende Bauteil (6) gepresst ist.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1 , wobei das nicht elektrisch isolierte Bauelement (2) ein Leistungshalbleiterbauelement, ein Kondensator oder eine Spule ist.
3. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wärmeabführende Bauteil (6) ein Kühlkörper oder ein Gehäuse des Elektronikmoduls ist.
4. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Befestigungskomponente (8) als eine oder mehrere Klemmen und/oder Schrauben und/oder Nieten gebildet ist.
5. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einer den Bauelementen (2) abgewandten Unterseite der Trägerstruktur (1) ein Schutzdeckel (7) vorgesehen und mit der Trägerstruktur (1) mechanisch verbunden ist.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 5 , wobei die mechanische Befestigungskomponente (8) auch den Schutzdeckel (7) befestigt.
7. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermische Interfacematerial mehrschichtig und komprimierbar gebildet ist.
8. Montageverfahren zur Montage einer Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Befestigen eines oder mehrerer der Bauelemente (2) an der Trägerstruktur (1), - Auflegen der Teile der untersten Schicht (3) der Kühlstruktur auf elektrisch nicht isolierte Bereiche der Bauelemente (2), - Auflegen der mittleren Schicht (4) der Kühlstruktur vollflächig über die unterste Schicht (3), - Auflegen mindestens einer obersten Schicht (5) der Kühlstruktur vollflächig über die mittlere Schicht (4), - Aufbringen des wärmeabführenden Bauteils (6), - mechanisches Befestigen zumindest der Trägerstruktur (1) an dem wärmeabführenden Bauteil (6) derart, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebenen Druck an das wärmeabführende Bauteil (6) gepresst wird, oder umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines wärmeabführenden Bauteils (6), - Auflegen einer oder mehrerer oberster Schichten (5) der Kühlstruktur vollflächig auf das wärmeabführende Bauteil (6), - Auflegen der mittleren Schicht (4) der Kühlstruktur vollflächig über die oberste Schicht (5), - Auflegen der Teile der untersten Schicht (3) der Kühlstruktur auf elektrisch nicht isolierte Bereiche der Bauelemente (2), - Aufbringen der Bauelemente (2) auf die oberste Schicht (3) und Befestigen der Bauelemente (2) an der Trägerstruktur (1) oder Aufbringen der Bauelemente (2) auf die Trägerstruktur (1) und danach Aufbringen der Bauelemente (2) zusammen mit der Trägerstruktur (1) auf die oberste Schicht (3), - mechanisches Befestigen zumindest der Trägerstruktur (1) an dem wärmeabführenden Bauteil (6) derart, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebenen Druck an das wärmeabführende Bauteil (6) gepresst wird.
9. Montageverfahren nach Anspruch 8 , wobei zusätzlich ein Schutzdeckel (7) an der den Bauelementen (2) gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur (1) vorgesehen und mechanisch an dem wärmeabführenden Bauteil (6) befestigt wird.
10. Elektronikmodul zur Anwendung in einem Fahrzeug, aufweisend die Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Kühlung von elektrisch nicht isolierten Leistungshalbleiterbauelementen von Elektronikmodulen. Elektrisch nicht isolierte Bauelemente wie Leistungshalbleiterbauelemente, Kondensatoren oder Spulen werden in einer Vielzahl an Anwendungen im Automobilbereich benötigt. Beispielsweise werden sie in der Elektromobilität in Leistungselektronikmodulen eingesetzt, welche zum Betrieb eines elektrischen Antriebs dienen und dort z.B. als Umrichter (DC/AC, aber auch DC/DC etc.) oder als Filter etc. eingesetzt werden. Sie werden aber auch in anderen Elektronikmodulen eingesetzt, welche für den Betrieb von anderen Komponenten eines Fahrzeugs oder eines Systems, in dem sie eingesetzt werden, dienen. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterbauelementen, aber auch bei einigen Filtern und Spulen ist es stets nötig, eine geeignete Kühlung vorzusehen, da die Bauelemente bei Überhitzung Schaden nehmen können. In Elektronikmodulen werden auch häufig nicht isolierte Bauelemente verwendet, also Bauelemente, bei denen keine elektrisch isolierende Beschichtung vorgesehen ist. Solche nicht isolierten Bauelemente werden mit einer als TIM (TIM = thermisches Interface Material) gebildeten Verbindungsschicht z.B. über einen sogenannten „Gapfiller“ an einem Kühler oder Gehäuse befestigt und darüber entwärmt. Die elektrische Isolation zwischen Bauelement und Kühler/Gehäuse erfolgt dabei entweder durch das TIM selbst, sodass ein einmaliger TIM-Auftrag ausreichend ist, oder bei höheren Spannungsklassen durch eine zusätzliche Isolationsschicht (Keramik, Isolationsfolie oder ähnliches). In diesem Fall muss ein TIM-Auftrag beidseitig an der Isolationsschicht erfolgen. Die Erfindung bezieht sich auf den zweiten Fall von zwei TIM-Schichten mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht. Problematisch bei der Entwärmung der Bauelemente ist die niedrige Wärmeleitfähigkeit klassischer TIMs. Ziel der Erfindung ist es, das Problem der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der aktuellen TIMs zu lösen, ohne dabei einen zusätzlichen thermischen Prozessschritt zur Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung (z.B. Lötung) von Bauteil zu Isolation und/oder Gehäuse zu benötigen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Bereitgestellt wird eine Kühlanordnung für elektrisch nicht isolierte Bauelemente eines Elektronikmoduls, aufweisend eine Trägerstruktur, mindestens ein elektrisch nicht isoliertes Bauelement, das mit einer Unterseite auf der Trägerstruktur angeordnet ist, und dessen Oberseite einen elektrisch nicht isolierten Bereich aufweist, eine mindestens dreischichtige Kühlstruktur, umfassend als unterste Schicht ein mehrteiliges thermisches Interfacematerial und als oberste Schicht mindestens ein thermisches Interfacematerial, sowie als mittlere Schicht eine Isolationsschicht, wobei je Bauelement eine ein Teil der untersten Schicht auf der Oberseite des Bauelements aufgelegt ist, und wobei die mittlere Schicht und die mindestens eine oberste Schicht vollflächig über die Bauelemente aufgelegt sind. Auf der obersten Schicht der Kühlstruktur ist ein wärmeabführendes Bauteil angeordnet. Ferner ist eine mechanische Befestigungskomponente vorgesehen, welche die Trägerstruktur und die Kühlstruktur an dem wärmeabführenden Bauteil mechanisch derart verbindet, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebenen Druck an das wärmeabführende Bauteil gepresst ist. In einer Ausführung ist das nicht elektrisch isolierte Bauelement ein Leistungshalbleiterbauelement, ein Kondensator oder eine Spule. In einer Ausführung ist das wärmeabführende Bauteil ein Kühlkörper oder ein Gehäuse des Elektronikmoduls. In einer Ausführung ist die mechanische Befestigungskomponente als eine oder mehrere Klemmen und/oder Schrauben und/oder Nieten gebildet. In einer Ausführung ist auf einer den Bauelementen abgewandten Unterseite der Trägerstruktur ein Schutzdeckel vorgesehen und mit der Trägerstruktur mechanisch verbunden. In einer Ausführung befestigt die mechanische Befestigungskomponente auch den Schutzdeckel. In einer Ausführung ist das thermische Interfacematerial mehrschichtig und komprimierbar gebildet. Außerdem wird ein Montageverfahren zur Montage der Kühlanordnung bereitgestellt, umfassend die Schritte Befestigen eines oder mehrerer der Bauelemente an der Trägerstruktur, Auflegen der Teile der untersten Schicht der Kühlstruktur auf elektrisch nicht isolierte Bereiche der Bauelemente, so dass keine elektrische Verbindung zwischen den Teilen besteht, Auflegen der mittleren Schicht der Kühlstruktur vollflächig über die unterste Schicht, Auflegen mindestens einer obersten Schicht der Kühlstruktur vollflächig über die mittlere Schicht, Aufbringen des wärmeabführenden Bauteils, mechanisches Befestigen zumindest der Trägerstruktur an dem wärmeabführenden Bauteil derart, dass die Kühlstruktur mit einem vorgegebene