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EP-3818562-B1 - POWER MODULE UNIT, METHOD FOR PRODUCING A POWER MODULE UNIT, POWER SUPPLY AND FREQUENCY CONVERTER

EP3818562B1EP 3818562 B1EP3818562 B1EP 3818562B1EP-3818562-B1

Inventors

  • Kappauf, Daniel
  • Panicerski, Stanislav
  • SCHMENGER, JENS
  • Gospos, Robert
  • Kneuer, Christian
  • Nährig, Matthias

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20190703

Claims (18)

  1. Power module unit (1), in particular for a frequency converter, having a base plate (3) with at least one recess (9) on a first side (3a), wherein at least one cooling fin (7) is fastened in the respective recess (9), wherein the respective cooling fin (7) is fastened in the respective recess (9) of the base plate (3) by a connection that is designed with a positive fit at least in regions, a material fit in regions and/or a non-positive fit in regions, characterised in that the base plate (3) has a substrate (4) for a power semiconductor (5) on a second side (3b), wherein the respective cooling fin (7) has an attachment (25) on at least one side, wherein the attachment (25) touches the first side (3a) of the base plate (3) via a planar connection (21) once the cooling fin (7) has been introduced.
  2. Power module unit (1) according to claim 1, wherein the respective cooling fin (7) is connected to the base plate (3) by way of a pressed connection, an adhesive connection or a soldered connection.
  3. Power module unit (1) according to claim 1 or 2, wherein the base plate (3) has copper, aluminium or a layer of copper and a layer of aluminium and/or the respective cooling fin (7) has copper, aluminium or an alloy.
  4. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the attachment (25) is positioned on the respective side of the cooling fin (7) such that, once the cooling fin (7) has been introduced into the recess (9), a cavity (23) is embodied in the recess, wherein the cavity (23) is arranged between the side of the cooling fin (7) and a bottom side of the recess (9).
  5. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the fastening of the base plate (3) to the respective cooling fin (7) is reinforced by indentations and notches.
  6. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the hardness of the material for the base plate (3) and the hardness of the material for the respective cooling fin (7) are different.
  7. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the respective cooling fin (7) is embodied in a U-shaped, O-shaped or 8-shaped manner.
  8. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein the cross-section (9a) of the respective recess (9) is tapered toward the second side (3b), preferably is embodied in a trapezoid-shaped manner.
  9. Power module unit (1) according to one of the preceding claims, wherein further cooling fins (7') are positioned between the cooling fins (7), wherein the respective further cooling fin (7') and the cooling fin (7) only overlap at the sides in regions.
  10. Frequency converter or power supply, in particular for industrial use, having a power module unit (1) according to the preceding claim.
  11. Method for producing a power module unit (1), wherein the power module unit (1) has a base plate (3) with recesses (9) on a first side (3a), comprising the following steps: a) positioning a substrate (4) on a second side (3b) opposite the recesses; b) heating the base plate (3) and the substrate (4), so that the substrate is fastened to the first side (3a) of the base plate (3), in particular by way of a soldered or sintered connection (11); c) introducing and fastening at least one cooling fin (7) in the respective recess (9), wherein the fastening is designed with a positive fit and/or non-positive fit, wherein the respective cooling fin (7) has an attachment (25) on at least one side, wherein the attachment (25) touches the first side (3a) of the base plate (3) via a planar connection (21) once the cooling fin (7) has been introduced.
  12. Method according to claim 11, wherein the heating of the base plate (3) with the substrate (4) takes place in a furnace and/or the introduction of the cooling fin (7) into the recess (9) takes place after the base plate (3) has cooled down.
  13. Method according to one of claims 11 or 12, wherein the cooling fins (7) are introduced into the respective recess (9) along the recess (9).
  14. Method according to one of claims 11 to 13, wherein the cooling fins (7) that are provided for introduction into the recesses (9) of the base plate (3) are, in one step, introduced into the recess (9) provided for the cooling fin (7) in each case.
  15. Method according to one of claims 11 to 14, wherein the introduction of the at least one cooling fin (7) takes place tangentially in relation to the first side (3a) of the base plate (3), wherein the recess (9) has a cross-section (9a) that in particular is embodied in a trapezoid-shaped manner.
  16. Method according to claim 15, wherein, when introducing the at least one cooling fin (7) into the base plate (3) tangentially, the at least one cooling fin (7) is slid into the recess (9) orthogonally in relation to the cross-section (9a) of the recess (9), so that in particular the base plate (3) is only minimally deformed.
  17. Method according to one of claims 11 to 16, wherein the at least one cooling fin (7) is introduced into the recess (9), in particular slid in or drawn in, via a side area of the base plate (3) which is oriented orthogonally in relation to the side area (3a).
  18. Method according to one of claims 11 to 14, wherein the respective cooling fin (7) comprises an opening (7a), wherein a pressing means is guided into the opening (7a) of the cooling fin (7) and the cooling fin (7) is pressed into the recess (9) with the aid of the pressing means.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungsmoduleinheit sowie eine Leistungsmoduleinheit. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Netzteil und einen Frequenzumrichter. Leistungsmodule umfassen in der Regel ein Substrat mit einem Leistungshalbleiter, beispielsweise einem IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), welcher auf einem Substrat fest verbunden ist. Das Substrat weist auf beiden Seiten eine Metallstruktur auf, wobei die Metallstruktur auf der einen Seite zur Verbindung mit dem Leistungshalbleiter ausgebildet ist und auf der anderen Seite auf einer Grundplatte befestigbar ist. Die Grundplatte wird gemäß derzeitigem Stand der Technik vorzugsweise mit einer wärmeleitenden Struktur beaufschlagt und auf einem Kühlkörper befestigt. Um thermische Effekte auszugleichen, ist eine komplexe Vorbiegung der Grundplatte notwendig, so dass die Grundplatte auch bei einer Temperatur von mehr als 100 Grad Celsius fest mit dem Kühlkörper verbunden ist. EP2328172 A1, EP3190371 A1, EP2031332 A1, EP1378940 A2 und DE102006038980 A1 offenbaren Leistungsmodule mit Kühlkörpern, die in Ausparungen eingebrachte und fixierte Kühlrippen aufweisen. Die Einheit, umfassend ein Leistungsmodul und ein Kühlkörper, wird hier als Leistungsmoduleinheit bezeichnet. Nachteilig am Stand der Technik ist weiter die Vielzahl von Materialübergängen. Ein Wärmestrom, ausgehend von dem Leistungshalbleiter über die Grundplatte zum Kühlkörper übertragen, wird hierdurch vermindert. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung von dem Leistungshalbleiter zum Kühlkörper schlägt beispielsweise DE 10 2013 207 804 A1 vor, eine Grundplatte auf der einen Seite mit wärmeleitenden Strukturen einstückig auszubilden. Der Leistungshalbleiter wird auf der gegenüberliegenden Seite der Grundplatte befestigt. Die Größe der wärmeleitenden Strukturen ist allerdings durch die Herstellung begrenzt. Darüber hinaus ist die Herstellung einer solchen Leistungsmoduleinheit aufwendig und daher kostspielig. Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, das Verfahren zur Herstellung einer Leistungsmoduleinheit zu vereinfachen. Die Aufgabe wird durch eine Leistungsmoduleinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch einen Frequenzumrichter oder ein Netzteil gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein direktes Aufbringen des Substrates mit dem Leistungshalbleiter auf die Grundplatte eine Materialgrenze zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper ersetzt. Vorzugsweise wird das Substrat mit einer Löt-Verbindung auf der Grundplatte des Kühlkörpers befestigt. Die Grundplatte dient somit auf der ersten Seite als Träger des Substrates. Weiter dient die zweite Seite der Grundplatte zur Befestigung der Kühlrippen. Bei herkömmlichen Kühlkörpern mit Kühlrippen, welche einige Zentimeter lang sein können, führt dieses Verfahren zu Schwierigkeiten, da der gesamte Kühlkörper beispielsweise in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 200 bis etwa 500 Grad Celsius erwärmt werden muss. Eine Erwärmung des gesamten Kühlkörpers ist jedoch energie- und zeitaufwendig. Demnach gründet die Erfindung auf der Einsicht, dass es vorteilhaft ist, lediglich die Grundplatte mit dem Substrat in dem Ofen zu erwärmen und die Kühlrippen nach der Befestigung des Substrates in Aussparungen der Grundplatte zu befestigen. Die Befestigung der Kühlrippen erfolgt vorzugsweise derart, dass die Grundplatte mit dem Substrat nicht verbogen wird. Eine Biegung der Grundplatte könnte das Substrat beschädigen. Dies wird beispielhaft durch einen trapezförmigen Querschnitt der Aussparung erreicht. Darüber hinaus können die Kühlrippen vorteilhaft in tangentialer Richtung zur ersten Seite in die jeweilige Aussparung aus eingebracht werden. Vorzugsweise umfasst das Substrat eine Keramik-Schicht, wobei die Keramik-Schicht auf der Oberseite und der Unterseite jeweils, zumindest bereichsweise eine Metall-Schicht aufweist. Die Metall-Schicht umfasst vorzugsweise Kupfer, Silber oder Zinn. Die vorzugsweise bereichsweise aufgetragene Metall-Schicht auf der Oberseite des Substrates dient zur Befestigung des Leistungshalbleiters. Die vorzugsweise auf der Unterseite aufgetragene Metallschicht dient zur Löt-, Press- oder Sinterverbindung des Substrates mit der Grundplatte. Die Leistungsmoduleinheit weist eine Grundplatte mit zumindest einer Aussparung auf einer ersten Seite auf, wobei in der jeweiligen Aussparung zumindest eine Kühlrippe befestigt ist, wobei die jeweilige Kühlrippe in jeweils eine Aussparung der Grundplatte durch eine zumindest bereichsweise formschlüssig, bereichsweise stoffschlüssig und/oder bereichsweise kraftschlüssig ausgeführte Verbindung befestigt ist, wobei die Grundplatte auf einer zweiten Seite ein Substrat für ein Leistungshalbleiter aufweist, wobei die jeweilige Kühlrippe weist an zumindes