本发明涉及一种用于制造冷却动力电子器件的冷却装置。本发明还涉及一种冷却装置。最后，本发明涉及一种包括至少两个冷却动力电子器件的冷却装置的冷却设备。
背景技术：
动力电子器件，特别是在机动车辆中，通常布置在所谓的DCB基板(direct copper bonded substrate，直接结合铜的基板)的陶瓷板上，其在两侧或一侧为铜板。在陶瓷板的一侧的构成的铜层由此将动力电子器件的各个部件彼此电连接。为了避免动力电子器件的各个部件的过热，并因此增加动力电子器件的使用寿命，能够例如经由冷却体驱散在动力电子器件的运行期间产生的热。为了改进散热，于是通过背向动力电子器件的一侧将包括动力电子器件的DCB基板布置在冷却体的大面积上，使得冷却体能够吸收由动力电子器件产生的热，并且能够通过对流或辐射将热排放到环境中。由于合适的导热率，由于较低的成本，最近基本上使用铜制本体。
为了实现普通的DCB基板跨过大面积而抵接在铝制本体上，铜板或非铜板陶瓷板需要通过物质与物质结合而连接至铝制本体。原则上，在此能够是焊接连接。然而，由于所提到的材料的直接焊接连接仅能够困难地实现的事实，需要采用进一步的连接方法。例如，因此能够使用镍板，其首先焊接至铝制本体，并且随后焊接至铜板或非铜板陶瓷板。然而该连接方法耗时且成本高。
技术实现要素：
因此本发明的目的为提供一种方法，其中陶瓷板能够以省时且省力的方式通过物质与物质结合而连接至铝制本体。本发明的进一步的目的为提供一种冷却装置和包括至少两个冷却装置的冷却设备，其能够以成本有效的方式制造并且提供动力电子器件的有效冷却。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于如下意想不到的知识：陶瓷板与铝制本体之间的直接物质与物质结合的建立依据施加到陶瓷板上的铜层的层厚。在根据本发明的方法中，在施加步骤中，薄铜层因此首先至少按区域地施加到至少一个陶瓷板的接合侧。薄铜层由此被限定为20μm与200μm之间的层，优选地在35μm与100μm之间。在预备步骤中，至少一个陶瓷板随后在铝制本体的第一上侧布置有薄铜层。替代地，至少一个陶瓷板在每种情况下能够布置在平坦的铝制本体的第一上侧和与第一上侧相对定位的第二上侧。在接合步骤中，相应的陶瓷板的接合侧随后通过由供热进行的物质与物质结合连接至铝制本体的相应的上侧。
陶瓷板是电绝缘的，并且能够由例如氧化铝(Al2O3)组成。氧化铝是成本有效的陶瓷，并且能够以有益的方式减少陶瓷板以及冷却装置作为整体的制造成本。铝制本体能够由铝以及铝合金组成，以进一步减少冷却装置的制造成本。铝制本体由此能够为通体(full body)或者特别优选地为平坦的铝管。平坦的铝管具有平坦的截面，并且冷却剂能够在铝管的纵向方向上流过铝管。通过冷却剂与包括布置在铝管上的陶瓷板的铝管之间的热传递，能够更加有效地冷却动力电子器件。通过布置在铝管内的肋结构能够进一步改进冷却。
根据本发明，在施加步骤中，薄铜层至少按区域地施加至陶瓷板的接合侧。薄铜层的施加能够由此通过直接的铜结合或通过热喷涂或通过湿化学法涂覆或电镀地进行。在热喷涂的情况下，陶瓷板的接合侧起初例如湿化学法地或通过激光烧蚀而变粗糙，并且随后涂覆铜。响应于湿化学法涂覆，陶瓷板的接合侧起初也变粗糙，并且随后被镀铜。
替代地，薄铜层能够例如使用丝网印刷制造。20μm与200μm之间的，优选35μm与100μm之间的薄铜层的要求的层厚能够通过提到的涂覆方法而以简单的方式达成。
根据本发明，薄铜层能够跨过大面积或按区域地施加到接合侧。在按区域地覆盖接合侧的薄覆盖层的情况下，所述薄铜层起初能够跨过大面积施加，并且随后通过磨蚀而构成。结构也能够在涂覆过程期间通过合适的形式制造。
有益地，用于接触动力电子器件的铜结构还能够施加到陶瓷板的与接合侧相对定位电子器件侧。陶瓷板的在接合侧和电子器件侧的铜涂覆能够彼此分开地以及同时地进行。在接合侧和电子器件侧铜涂覆的层厚能够不同，以便一方面便于接合侧通过物质与物质结合直接布置到铝制本体上，并且另一方面以便提供动力电子器件的安全接触。由不同的热膨胀系数引起的陶瓷板中的热应力还能够通过陶瓷板的两侧的铜电镀而减少。而且，两侧涂覆铜的陶瓷板能够以成本有效的方式制造。
在施加步骤之后，在预备步骤中，至少一个包括薄铜层的陶瓷板布置在铝制本体的第一上侧。在接合步骤中，陶瓷板的接合侧随后通过由供热进行的物质与物质结合连接至铝制本体的上侧。替代地，至少一个陶瓷层在每种情况下能够布置在平坦的铝制本体的第一上侧和第二上侧，并且在接合步骤中能够通过物质与物质结合而同时连接至铝制本体。由于薄铜层，相应的接合侧能够以省时且省力的方式通过物质与物质结合(例如通过直接焊接或通过烧结)直接连接至铝制本体的相应的上侧。
有益地做出如下设置：在预备步骤中至少按照区域地将焊料涂层施加到铝制本体的相应的上侧和/或施加到陶瓷板的相应的接合侧。在接合步骤中，陶瓷板的相应的接合侧随后通过由焊接进行的物质与物质结合连接至铝制本体的相应的上侧。由于焊料涂层，以有益的方式简化了焊接，并且能够更快速地实施该方法。
焊料涂层优选为铝焊料涂层和/或硅焊料涂层和/或铜焊料涂层和/或镍焊料涂层。焊料涂层能够施加到陶瓷板的接合侧以及铝制本体的相应的上侧。由此能够例如通过热喷涂或通过湿化学法涂覆或以电镀的方式进行焊料涂覆的施加。由于焊料涂层，也能够以有益的方式额外地改进焊料连接的质量。
为了进一步改进焊料连接的质量，有益地做出如下设置：在预备步骤中至少按照区域地将焊剂施加到铝制本体的相应的上侧和/或施加到陶瓷板的相应的接合侧。焊料涂层在陶瓷板的接合侧或在铝制本体的相应的上侧的变湿被改善，通过所施加的焊料涂层的质量和焊剂，以及因此用这种方法改善了焊料连接。
替代地，做出如下的设置：在预备步骤中至少按照区域地将烧结涂层施加到铝制本体的相应的上侧和/或施加到陶瓷板的相应的接合侧。在接合步骤中，相应的接合侧随后通过由烧结进行的物质与物质结合连接至铝制本体的相应的上侧。烧结涂层优选为铝烧结涂层和/或硅烧结涂层和/或铜烧结涂层和/或镍烧结涂层。烧结涂层也能够由多个烧结涂层的混合物组成，以便例如改进烧结连接的质量。待在烧结涂层中烧结的颗粒的尺寸由此能够以改进烧结连接的质量或减小烧结温度的方式适用。
有益地做出如下设置：在预备步骤中至少按照区域地将放热接合涂层施加到铝制本体的相应的上侧和/或施加到陶瓷板的相应的接合侧。在接合步骤中，陶瓷板的相应的接合侧随后通过由放热焊接进行的物质与物质结合连接至铝制本体的相应的上侧。特别地以这种方式能够在待接合在陶瓷板以及铝制本体上的层中改进供热，使得在待接合的层中均匀地进行接合，并且因此改进了焊料连接或烧结连接的质量。
放热接合涂层优选地能够是接合薄膜，所述接合薄膜能够以简单的方式布置在陶瓷板与铝制本体之间。
做出如下的设置：在200℃与600℃之间的温度执行接合步骤。在接合步骤中，温度由此能够依据所使用的焊料涂层、所使用的焊剂、所使用的烧结涂层，或者所使用的接合涂层。在这些参数的适当选择的情况下，在接合步骤中，能够减小温度以及能耗，并且能够以有益的方式降低冷却装置的制造成本。
在接合步骤中为了避免陶瓷板和铝制本体的变形，有益地做出将铝制本体夹住至陶瓷板的设置。还能够因此避免由于热膨胀的结果而引起的铝制本体和陶瓷板的变形，并且增加了冷却装置以及布置在陶瓷板上的动力电子器件的使用寿命。
有益地做出如下设置：在预备步骤中将焊料涂层施加到铝管形式的铝制本体的内侧，并且在接合步骤中通过物质与物质结合将肋结构布置在铝管中。肋结构还能够由铝或铝合金制成，并且能够例如通过硬焊布置在铝管中。在此硬焊被限定为在450℃以上的温度的焊接。原则上，陶瓷板通过物质与物质结合在铝管上的布置能够同时通过肋结构与铝管之间的硬焊实施，只要用于将陶瓷板布置在铝管上的温度也允许肋结构与铝管的硬焊。
为了避免铝制本体的变形，做出如下的设置：在预备步骤中，相应的陶瓷板布置在铝制本体的相关的上侧，以便彼此相对地定位，并且在接合步骤中，相应的陶瓷板通过物质与物质结合布置在相应的上侧，以便彼此相对地定位。通过以这样的方式将陶瓷板布置在铝制本体上，由热膨胀引起的铝制本体和陶瓷板中的膨胀和拉伸能够彼此平衡。以这种方式能够增加陶瓷板的使用寿命，特别是动力电子器件的使用寿命。在接合步骤中，如果彼此相对定位的陶瓷板同时布置在铝制本体上，则由于供热而在接合步骤期间发生的膨胀也能够以有益的方式被抵消。
替代地，做出如下的设置：在预备步骤中，相应的陶瓷板相对于彼此偏离地布置在铝制本体的相应的上侧，并且在接合步骤中，相应的陶瓷板通过物质与物质结合相对于彼此偏离地布置在相应的上侧。在此还能够以有益的方式抵消由热膨胀引起的铝制本体与陶瓷板中的热膨胀和拉伸。
在接合步骤之后，有益地做出如下设置：在制造步骤中，动力电子器件通过物质与物质结合布置在至少一个相应的陶瓷板的与接合侧相对定位并且具有铜结构的电子器件侧。动力电子器件由此包括通过物质与物质结合布置在陶瓷板上的多个单独的部件。为了将单个的部件以导电的方式彼此连接，陶瓷板的电子器件侧的铜结构例如具有导体轨道结构，在所述导体轨道结构上布置有动力电子器件的单独的部件。动力电子器件优选地通过软焊，因此通过在450℃以下的温度的焊接布置。
本发明还涉及根据上述方法制造的用于冷却动力电子器件的冷却装置。至少一个陶瓷板由此在第一上侧布置有接合侧，或者至少一个陶瓷板在每种情况下通过由上述方法进行的物质与物质结合布置在铝管的第一上侧和与第一上侧相对定位的第二上侧。冷却装置因此具有至少一个陶瓷板，所述至少一个陶瓷板通过物质与物质结合在铝管的第一上侧布置有接合侧。动力电子器件通过物质与物质结合布置在至少一个相应的陶瓷板的与接合侧相对定位的电子器件侧。替代地，至少一个陶瓷板在每种情况下能够布置在铝管的第一上侧和与第一上侧相对定位的第二上侧。
平坦的铝管由此具有平坦的横截面，并且冷却剂能够在铝管的纵向方向上流过铝管。热传递在冷却剂与包括布置在铝管上的陶瓷板的铝管之间进行，并且能够更加有效地冷却动力电子器件。为了改进冷却，铝管能够在内侧具有肋结构。陶瓷板能够在第一上侧和第二上侧布置在铝管上，使得由热膨胀引起的铝管和陶瓷板中的热膨胀和拉伸能够相对于彼此平衡。因此能够增加陶瓷板的使用寿命，以及特别是动力电子器件的使用寿命。陶瓷板能够布置在铝管上，以便彼此相对地定位，或者以便相对于彼此偏离。
本发明还涉及用于冷却动力电子器件的冷却设备，其中所述冷却设备具有至少一个在每种情况下包括铝管的上述冷却装置。冷却设备由此具有至少两个用于收集冷却剂的冷却剂收集器，所述冷却剂流过相应的铝管，其中相应的铝管通向两侧的冷却剂收集器中。诸如水的冷却剂例如能够流过冷却剂设备，使得能够特别有效地实施动力电子器件的冷却。冷却设备能够具有多个冷却装置，所述多个冷却装置彼此间隔地布置或者彼此相邻地布置。相应的铝管通向冷却剂收集器中，使得冷却剂能够流过冷却装置并且能够有效地冷却动力电子器件。
本发明的进一步重要的特征和优势遵循从属权利要求、附图以及通过附图的对应的附图描述。
不言而喻，在没有离开本发明的范围的情况下，上述的特征以及将在下文中描述的特征不仅能够用在各个提出的结合中，而且还能够用在其他结合中或者单独使用。
附图说明
本发明优选的示例性实施例图示在附图中，并且将在下面的描述中更加详细地描述，其中相同的附图标记指示相同或相似或功能上相同的部件。
在每种情况下示意性地，
图1示出了包括铝管并且包括彼此相对定位的陶瓷板的冷却装置的侧视图；
图2示出了包括相对于彼此偏离布置的多个陶瓷板的冷却装置的侧视图；
图3示出了包括彼此相对定位的多个陶瓷板的冷却装置的侧视图；
图4示出了包括彼此相对定位的三个冷却装置的冷却设备的侧视图；
图5示出了图4所示的包括彼此相邻布置的三个冷却装置的冷却设备的俯视图；
图6示出了以替代的方式实现的包括三个冷却装置的冷却设备的侧视图；
图7示出了根据本发明的方法的过程。
具体实施方式
图1示出了冷却装置1的侧视图。冷却装置1具有包括肋结构4的铝管3的形式的铝制本体2。铝管3以及肋结构4能够由铝或铝合金制成。肋结构4能够例如通过硬焊布置在铝管3中，或者替代地，铝管3能够例如在挤压过程中与肋结构4制成单件。平坦的铝管3具有平坦的截面，并且冷却剂，诸如水，例如能够沿着肋结构4在铝管3的长度方向上流过铝管3。
冷却装置1还具有陶瓷板7，其通过根据本发明的方法通过物质与物质结合布置在铝管3的带有接合侧6的第一上侧5a，并且在与接合侧6相对定位的电子器件侧9配备有动力电子器件8。陶瓷板7为电绝缘的，并且例如由氧化铝组成(Al2O3)。热传递发生在铝管3中的冷却剂与布置在铝管3上的陶瓷板7之间，并且动力电子器件8能够被更有效地冷却。冷却由铝管3的肋结构4另外地支持。
在铝管3的第二上侧5b，冷却装置1具有另外的陶瓷板7。陶瓷板7在第一上侧5a以及在第二上侧5b布置在铝管3上，以便彼此相对地定位，使得由热膨胀引起的铝管3和陶瓷板7中的热膨胀和拉伸彼此平衡。因此增加了陶瓷板7的使用寿命，特别是动力电子器件8的使用寿命。
陶瓷板7通过物质与物质结合在铝管3上的直接布置通过薄铜层10是可能的，所述薄铜层10具有20μm与200μm之间的层厚，优选在35μm与100μm之间。在电子器件侧9，陶瓷板7另外具有用于接触动力电子器件8的各个部件的铜结构11。薄铜层10与铜结构11的层厚能够不同，从而一方面提供陶瓷板7通过物质与物质结合在铝管3上的直接布置，并且从而另一方面提供动力电子器件8的各个部件的安全接触。
图2示出了包括相对于彼此偏离布置的陶瓷板7的冷却装置1的侧视图，而图3示出了包括彼此相对定位的陶瓷板7的冷却装置1的侧视图。通过以这种方式将陶瓷板7布置在铝制本体2上，由热膨胀引起的铝制本体3与陶瓷板7中的热膨胀和拉伸能够彼此平衡，并且能够增加陶瓷板7以及特别是动力电子器件8的使用寿命。如果陶瓷板7同时也布置在铝制本体2上，由于布置期间的供热引起的膨胀也能够以有益的方式被抵消。
图4示出了侧视图，而图5示出了包括三个冷却装置1的冷却设备12的俯视图。冷却装置1彼此相邻地布置，并且各个冷却装置1的铝管3在两侧排放到冷却剂收集器13中。由于冷却剂收集器13，冷却剂能够流过各个铝管3，使得能够特别有效地实施动力电子器件8的冷却。图6示出了替代实现的包括三个冷却装置1的冷却设备12的侧视图，所述三个冷却装置1彼此间隔开地布置。在此，铝管3还在两侧引入到冷却剂收集器13中。
图7示出了根据本发明的方法14的示意性过程。在方法14中，在施加步骤15中，薄铜层10首先至少按区域地被施加到陶瓷板7的接合侧6。薄铜层10由此具有20μm与200μm之间的层厚，优选在35μm与100μm之间。在预备步骤16中，包括薄铜层10的陶瓷板7随后被布置在平坦的铝制本体2的第一上侧5a。替代地，至少一个陶瓷板7能够在每种情况下布置在平坦的铝制本体2的第一上侧5a和第二上侧5b。在接合步骤17中，各个陶瓷板7的接合侧6随后通过由供热进行的物质与物质结合而连接至铝制本体2的各个上侧5a和/或5b。在接合步骤17之后，在制造步骤18中，动力电子器件8随后能够例如通过软焊(因此通过450℃以下的温度的焊接)布置在陶瓷板7的电子器件侧9。
在预备步骤16中，能够将焊料涂层(例如铝焊料涂层和/或硅焊料涂层和/或铜焊料涂层和/或镍焊料涂层)和/或焊剂施加到铝制本体2的相应的上侧5a或5b上，和/或施加到陶瓷板7的相应的接合侧6。在接合步骤中，陶瓷板7随后能够通过由直接焊接进行的物质与物质结合连接至铝制本体2。
替代地，在预备步骤16中能够至少按区域地将烧结涂层施加到铝制本体2的相应的上侧5a或5b上，和/或施加到陶瓷板7的相应的接合侧6。烧结涂层优选为铝烧结涂层和/或硅烧结涂层和/或铜烧结涂层和/或镍烧结涂层。在接合步骤17中，通过由烧结进行的物质与物质结合能够随后将陶瓷板7布置在铝制本体2上。
接合步骤17能够在200℃与600℃之间的温度执行。通过放热的接合涂层(例如接合薄膜)也能够产生供热。如果接合步骤17在450℃以上的温度执行，并且如果铝制本体2以铝管3的形式实现，则肋结构4也能够通过在接合步骤17中的硬焊而布置在铝管3中。为此目的，能够在预备步骤16中在铝管3中施加焊料涂层，使得肋结构4与铝管3的直接焊接成为可能。
通过由根据本发明的方法14进行的物质与物质结合，能够以省时且省力的方式将陶瓷板7布置在铝制本体2上。因此能够明显地减少冷却装置1以及冷却设备12的制造成本。