用于功率电子装置模块的具有冷却适配器的冷却装置、功率电子装置模块以及机动车辆的制作方法

1.本发明涉及一种用于功率电子装置模块的冷却装置，其用于冷却功率电子装置模块的功率电子组件。所述冷却装置具有用于导出功率电子组件的设置在电路板上的至少一个功率电子结构元件的废热的冷却体。此外，冷却装置具有用于提供在所述至少一个功率电子结构元件和所述冷却体之间的导热路径的至少一个导热元件。此外，本发明涉及一种功率电子装置模块以及一种机动车辆。


背景技术：

2.在本发明中，关注点集中在用于电气化的机动车辆、即电动或者混合动力车辆)的功率电子装置模块上。这种功率电子装置模块例如可以是整流器并且具有功率电子组件，该功率电子组件具有多个功率电子结构元件、例如功率半导体开关，所述功率电子结构元件设置在电路板上。在功率电子装置模块运行时，在功率电子结构元件上产生热损失或者说废热，由于所述热损失或者说废热，功率电子装置模块可能会过热。为了冷却功率电子结构元件，能够将电路板例如借助承载板设置在冷却体上，使得从该功率电子结构元件经由电路板并且在可能的情况下经由承载板至冷却体构成导热路径。通过相关材料层的导热能力和在这些材料层之间的热接触电阻表明在此产生的温度梯度的特征并且由此表明冷却效率的特征。在此，可达到的冷却效率将限制功率电子结构元件的运行范围，例如限制功率半导体开关的开关频率，和/或功率电子结构元件的小型化程度。
3.从de 10 2007 057 533 b4中已知一种具有基体的冷却体，其设有用于扩大散热表面的结构。基体和与基体一件式构造的结构由电绝缘材料制成。此外，冷却体具有多个金属成型件，各金属成型件分别彼此电绝缘，其中，每个成型件具有用于固定在热源上的固定区段和热传导区段。这种热源例如可以是电子电路或者电子组件。至少每个金属成型件的热传导区段与基体机械连接。金属成型件基于其高的导热能力如散热器那样起作用并且由此确保大面积地热耦入到基体中。这种冷却体具有如下缺点，即其必须专门为要冷却的电子组件制造，因为成型件在冷却体上的位置必须匹配于热源在电路板上的位置。


技术实现要素：

4.本发明的任务在于，提供一种解决方案，借助该解决方案能够以简单并且高效的方式冷却功率电子装置模块的功率电子结构元件。
5.根据本发明，该任务通过具有根据相应的独立权利要求的特征的冷却装置、功率电子装置模块以及机动车辆来解决。本发明的有利的实施方案是从属权利要求、说明书以及附图的主题。
6.根据本发明的用于功率电子装置模块的冷却装置用于冷却功率电子装置模块的功率电子组件。所述冷却装置具有用于导出功率电子组件的设置在电路板上的至少一个功率电子结构元件的废热的冷却体。此外，所述冷却装置具有用于提供在所述至少一个功率
电子结构元件和所述冷却体之间的导热路径的至少一个导热元件。所述至少一个导热元件构成为与冷却体分离的、具有导热芯的冷却适配器。该冷却适配器能够设置在冷却体和功率电子组件之间并且设计用于，局部地跨接在所述至少一个功率电子结构元件和所述冷却体之间的间距。
7.此外，本发明涉及一种具有功率电子组件和至少一个根据本发明的冷却装置的功率电子装置模块。功率电子组件具有电路板和固定在该电路板上的至少一个功率电子结构元件。所述至少一个功率电子结构元件例如能够构成为半导体芯片形式的功率半导体开关。所述至少一个功率电子结构元件例如借助芯片接合(chipbonding)固定在电路板或者印刷电路板上并且在那里导电接触。
8.为了冷却在功率电子装置模块运行时构成热源的所述至少一个功率电子结构元件而设有冷却体。该冷却体例如可以是冷却板，其具有用于引导冷却剂的至少一个冷却通道。在此，电路板尤其是这样相对于冷却体定位并且固定于其上，使得电路板的设置有所述要冷却的至少一个功率电子结构元件的一侧朝向冷却体。此外，在电路板固定在冷却体上的状态下，在电路板和冷却体之间构成间隙。通过该间隙构成的间距局部地借助所述至少一个导热元件跨接，此外，所述导热元件提供在功率电子结构元件和冷却体之间的导热路径。这尤其是意味着，导热元件仅处于空隙的与电路板上的功率电子结构元件的位置邻接的区域内。
9.在此，导热元件是冷却适配器形式的单独构件，所述冷却适配器能够设置在冷却体的任意位置上。将冷却适配器设置在所述空隙中，使得导热芯处于所述冷却体和所述至少一个结构元件之间并且由此能够使冷却体与所述至少一个功率电子结构元件热耦合。在此，导热芯由具有良好导热能力的材料、例如铜制成。导热元件尤其是不与冷却体一件式地构成或者集成到冷却体的材料中。在此，冷却适配器能够在冷却体和电路板之间压紧或者说夹住。附加地，冷却适配器例如能够经由具有导热能力的粘合膜固定在冷却体和功率电子组件上。
10.由此，能够借助冷却适配器实现有针对性地、局部地使用高导热材料。即不必将功率电子组件在其整个表面上借助具有导热能力的材料连接到冷却体上，从而特别经济地构造冷却装置。
11.特别优选地，冷却装置具有承载板，所述承载板固定在冷却体上并且所述承载板设计用于，将线路模块的电路板保持在冷却体上，其中，承载板具有与所述至少一个功率电子结构元件对齐地设置的至少一个通孔，所述至少一个冷却适配器插入所述通孔中。尤其是所述承载板由导热能力低于导热芯的导热能力的材料制成。承载板例如能够与冷却体拧紧。承载板的使用能够实现电路板的预安装以用于后续在冷却体上的安装。
12.在电路板和冷却体之间的导热路径(其在包括承载板材料的情况下可能穿过承载板引导)受到承载板材料的热特性以及承载板的厚度的限制。在此，具有良好的热特性的材料价格昂贵。为了特别经济地构造冷却装置，在导热路径不包括承载板材料的情况下，引导导热路径穿过承载板。为此，将通孔装入到承载板中并且将冷却适配器设置在通孔中。由此，在功率电子组件和冷却体之间的导热路径在排除承载板材料的情况下通过冷却适配器的导热芯构成。由此，承载板能够由经济的、但是在其热特性方面非优化的材料、例如塑料或者铝制成。此外，冷却适配器用于承载板和电路板之间的公差补偿，所述公差补偿例如在
热源附近发生。
13.在本发明的一种有利的扩展方案中，导热芯具有用于安装在功率电子组件上、例如直接安装在所述至少一个功率电子结构元件上的第一表面、例如上侧面，和用于安装在冷却体上的第二表面、例如底侧面。经由第一表面实现从功率电子组件进入导热芯中的热输入并且经由第二表面实现从导热芯至冷却体的热输出。导热芯例如能够构造成圆柱体形并且通过冲压制成。此外，冷却体由于在功率电子结构元件和导热芯的表面之间的大面积的热接触而用于在热源的位置处的散热。由于所述散热能够将废热高效地导出。
14.此外，冷却适配器具有至少部分地包围导热芯的周面的外罩，所述外罩尤其是由电绝缘材料制成。外罩设置在导热芯和承载板之间并且设计用于，将冷却适配器保持在承载板上。外罩例如能够塑料或者陶瓷制成。在此，所述外罩沿着在承载板和导热芯之间的导热路径延伸，其中，上侧面和底侧面为了与功率电子组件和冷却体相接触而露出。例如，导热芯能够借助外罩注塑包封或者与外罩压配合连接。由于外罩的非导电材料使导热芯与周围环境、例如与承载板电绝缘。由此使在导热芯和周围的材料或者说承载板之间的电化序(elektrochemische spannungsreihe)中断。由此使得在铝制承载板中使用无涂层的铜制导热芯是持久可行的。此外，能够由此确保功率半导体相对于周围环境的电绝缘。附加地，也能够为导热芯电绝缘地涂覆涂层，由此能够借助合适的热界面材料产生双重绝缘。
15.已表明有利的是，所述外罩至少局部地具有侧向地突出于导热芯的凸缘，所述凸缘在冷却适配器的插入状态下为了将冷却适配器保持在承载板上而靠置在承载板上。由此，在凸缘的区域内，冷却适配器具有大于承载板中的通孔的直径的直径。由此，冷却适配器在凸缘的区域内靠置在承载板的围绕通孔的区域上并且由此保持在那里。优选地，在所述凸缘上构造有弹簧元件，所述弹簧元件设计用于，将冷却适配器压离承载板并且在此将导热芯压紧到所述至少一个功率电子结构元件上。弹簧元件如能够构成为弹性的、朝承载板的方向弯曲的凸缘区域。所述弹簧元件为冷却适配器提供压紧到功率电子组件上的压紧力。由此，能够在导热芯和要冷却的结构元件之间建立稳定的热连接。
16.在本发明的一种实施方式中，所述外罩具有定位销，所述定位销能够导入到电路板的定位开口中以定位冷却适配器。通过使用定位销或者说定位销钉，能够确保冷却适配器相对于热源的定位。尤其是所述定位销具有用于与电路板机械连接的连接元件、例如卡钩。卡钩例如与电路板的定位开口的边缘构成搭扣连接或者说卡扣连接。
17.此外，具有根据本发明的至少一个功率电子装置模块的机动车辆也属于本发明。所述机动车辆尤其是轿车形式的电气化的机动车辆。
18.参考根据本发明的冷却装置提出的实施方式及其优点相应地适用于根据本发明的功率电子装置模块以及适用于根据本发明的机动车辆。
19.本发明的另外的特征从权利要求书、附图和附图描述中得出。前面在说明书中所述的特征和特征组合以及后续在后续说明中所述的和/或在附图中仅示出的特征和特征组合不仅能够以相应说明的组合、而且也能够以其它组合或者单独地使用。
附图说明
20.现在根据优选的实施例以及参考附图更详细地阐述本发明。附图如下：
21.图1示出功率电子装置模块的第一实施方式的示意性剖视图；
22.图2示出功率电子装置模块的第二实施方式的示意性剖视图；
23.图3示出功率电子装置模块的第三实施方式的示意性剖视图；
24.图4a、图4b示出冷却适配器的一种实施方式的不同透视图；
25.图5示出具有根据图4a、图4b的冷却适配器的功率电子装置模块的一种实施方式的示意性剖视图。
具体实施方式
26.在各附图中，相同的以及功能相同的元件设有相同的附图标记。
27.图1、图2、图3和图5示出用于在这里未示出的可电驱动的机动车辆的功率电子装置模块1的实施方式。该功率电子装置模块1包括具有电路板3和至少一个功率电子结构元件4的功率电子组件2。所述至少一个功率电子结构元件4例如可以是sic功率半导体或者gan功率半导体。功率电子结构元件4构成热源，应当将其热量导出以避免过热。为此，功率电子装置模块1具有冷却装置5，所述冷却装置在这里具有冷却体6和承载板7。承载板7例如由塑料或者铝制成，并且例如经由螺纹件8固定在冷却体6上。承载板7允许功率电子组件2简单地安装在冷却体6上。为此，承载板7在这里具有凸起部9，能够将电路板3靠放在所述凸起部上，并且能够将电路板3借助螺旋连接10固定在所述凸起部上。在这里，电路板3这样设置在承载板7上，使得功率电子结构元件4朝向冷却体6。由于电路板3固定在承载板7上，功率电子结构元件4与冷却体6间隔开间距地设置。
28.此外，为了将热源、即功率电子结构元件4热连接至冷却体6，冷却装置5具有导热元件11。该导热元件11构成为与冷却体6分离的冷却适配器12。能够将冷却适配器带到在功率电子组件2和冷却体6之间的热界面上，以便通过在功率电子结构元件4和冷却体6之间构成导热路径来跨接间距。冷却适配器12具有例如由铜制成的导热芯13或者插入件并且将热量从功率电子结构元件4引导至冷却体6，而不会将承载板7包括到导热路径中。
29.为此，在承载板7中设置有通孔14，例如孔，在所述通孔中设置冷却适配器12。通过冷却适配器12实现将热受载的功率电子结构元件4的热量传导至冷却体6。能够通过尽可能薄的界面材料层15、例如具有导热能力的粘合膜将冷却适配器12热耦合到所述热受载的结构元件4上以及冷却体6上，这将导致低热阻。由于使用具有高导热能力的导热芯13、例如铜，能够高效地散热。因此，承载板7能够由具有较低的导热能力的经济性材料、例如铝或者塑料制成。
30.此外，在根据图2、图3和图5的实施方式的情况下，冷却适配器12具有部分地包围导热芯13的外罩16。该外罩16能够由电绝缘材料、例如塑料或者陶瓷制成。外罩16至少局部地具有凸缘17，所述凸缘靠置在承载板7上并且冷却适配器12经由所述凸缘保持在承载板7上。此外，在根据图3和图5的实施方式的情况下，外罩16具有定位销18，所述定位销18能够导入到电路板3的定位开口19中。定位销18例如能够具有卡钩，所述卡钩与通孔19的边缘卡住并且由此将冷却适配器12固定在电路板7上。
31.图4a和图4b示出冷却适配器12的示意性透视图。图4a示出冷却适配器12的俯视图，其中，导热芯13的第一表面20是设置在功率电子组件2上的上侧面。图4b示出冷却适配器12的仰视图，其中，导热芯13的与所述第一表面20相对置的第二表面21是设置在冷却体6上的底侧面。导热芯13在这里构造成圆柱体形并且具有圆形的表面20、21。在这里通过多个
凸缘区段构成的凸缘17具有弹簧元件22。所述弹簧元件22在这里构成为各凸缘区段17的弹性的、弯曲的凸缘区域23。这些弹簧元件22在承载板7中的通孔14处突出并且将冷却适配器12如图5中示出的那样压离承载板7。由此将导热芯13压紧到功率电子组件2上，尤其是直接压紧到功率电子结构元件4上。由此，冷却适配器12也确保在热源附近的公差补偿。