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DE19529627C1 - Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE19529627C1
DE19529627C1 DE19529627A DE19529627A DE19529627C1 DE 19529627 C1 DE19529627 C1 DE 19529627C1 DE 19529627 A DE19529627 A DE 19529627A DE 19529627 A DE19529627 A DE 19529627A DE 19529627 C1 DE19529627 C1 DE 19529627C1
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DE
Germany
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ceramic layer
electrically insulating
thermally conductive
sealed
impregnated
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DE19529627A
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Dieter Dlugosch
Karl Heinz Dipl Ing Gunzelmann
Karl-Heinz Ideler
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Description

Bei der Herstellung von Leistungsbaugruppen mit mindestens einem Leistungsbauelement, werden wärmeleitende und elek­ trisch isolierende Verbunde zwischen den Leistungsbauelemen­ ten und den Kühlkörpern gefordert, die einerseits die Abfuhr der Verlustwärme ermöglichen und andererseits eine ausrei­ chende elektrische Isolierung zum Kühlkörper gewährleisten.
Zur Herstellung derartiger Verbunde ist es bekannt, die Leistungsbaugruppen oder die einzelnen Leistungsbauelemente auf einen Kupferträger, beispielsweise durch Löten oder Kleben, aufzubringen. Diese als Wärmespreizelemente dienenden Kupferträger werden vorwiegend über elektrisch isolierende Keramikzwischenstücke, vorzugsweise über Zwischenstücke aus Aluminiumoxid, mit dem zugehörigen Kühlkörper verbunden. Die Güte der Wärmeleitung hängt insbesondere auch davon ab, ob dieser Verbund durch mechanisches Anpressen, Kleben oder Löten hergestellt wird. Nachteilig ist bei derartigen Verbin­ dungen von Leistungsbauelementen und Kühlkörpern, daß aus Gründen der mechanischen Festigkeit bei der Herstellung und Verarbeitung die Keramikzwischenstücke dicker sein müssen, als es für die elektrische Isolation notwendig wäre. Daraus resultiert eine Grenze in der erzielbaren Wärmeleitfähigkeit des Verbundes.
Aus der EP-A-0 042 693 ist es bekannt, die vorstehend ge­ schilderten Nachteile der Keramikzwischenstücke durch plas­ magespritzte Keramikschichten zu vermeiden. Die Keramik­ schichten werden dabei auf die Wärmespreizelemente aufge­ bracht, worauf die Wärmespreizelemente über die Keramik­ schichten mit den zugehörigen Kühlkörpern verklebt werden. Schichtkonsistenz und Schichtdicke bestimmen Wärmeleitfähig­ keit und elektrische Isolationswirkung und können in weiten Grenzen an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die hygroskopischen Eigenschaften plasmagespritzter Keramik­ schichten wirken sich jedoch insbesondere dann nachteilig aus, wenn ein solcher Verbund aus konstruktiven Gründen gegen Luftfeuchtigkeit nicht mit Isoliergel, z. B. auf der Basis von Silikon, langzeitstabil abgedeckt werden kann.
Aus der DE 89 14 493 U1 ist eine Leistungsbaugruppe bekannt, die eine thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbin­ dung zwischen Träger und Kühlkörper aufweist. Die Isolier­ schicht wird dabei nicht als vorher gefertigtes Teil, sondern als Beschichtung ausgeführt, die entweder auf den Kühlkörper aufgetragen und mit dem Träger verklebt wird oder die auf den Trager aufgetragen und mit dem Kühlkörper verklebt wird. Bei einer Variante wird auf der Oberfläche des aus Aluminium be­ stehenden Kühlkörpers eine Eloxalschicht als Isolierung ge­ bildet. Diese durch anodische Oxidation des Aluminiums gebil­ dete Eloxalschicht weist jedoch keine glatte Oberfläche aus Aluminiumoxid, sondern eine ungleichmäßige Oberfläche nach Art einer Kraterlandschaft auf. Ist die verbleibende Dicke der Eloxalschicht zwischen den Kratertälern im Hinblick auf die geforderte Spannungsfestigkeit zu gering, so wird die Eloxalschicht zusätzlich mit einer Schicht aus Polytetrafluo­ rethylen überzogen, die gerade so dick ist, daß sie die beim Oxidieren entstandenen Krater auffüllt. Mit dieser Glättung der Oberfläche der Eloxalschicht wird die isolierende Schicht dicker gemacht und die Spannungsfestigkeit erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch lei­ tende, elektrisch isolierende Verbindung und ein Verfahren zu deren Herstellung auf der Basis thermisch gespritzter Kera­ mikschichten so auszugestalten, daß der Verbund bei hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Isolationswirkung gegen die Einflüsse von Luftfeuchtigkeit unempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 1 und durch ein Verfah­ ren zur Herstellung einer derartigen Verbindung nach Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Verbindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 9 hervor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermisch leitenden, elektrisch isolie­ renden Verbindung gehen aus den Ansprüchen 11 bis 16 hervor.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Imprägnie­ rung oder Versiegelung thermisch gespritzter Keramikschichten ohne Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit und der elektri­ schen Isolationswirkung die Poren der Schicht zumindest im Oberflächenbereich schließt und damit unerwünschte Auswirkun­ gen der Luftfeuchtigkeit mit Sicherheit verhindert. Die wei­ tere Verbindung der Keramikschicht mit einer zweiten Werk­ stückoberfläche oder mit einer zweiten Keramikschicht, wird durch die Imprägnierung oder Versiegelung nicht behindert und kann in bekannter Weise beispielsweise durch Ultraschall-Schweißen oder durch Kleben vorgenommen werden.
Unter dem Begriff "Imprägnierung" ist im Sinne der vorliegen­ den Erfindung das oberflächliche oder das vollständige Durch­ tränken der porösen Keramikschicht mit einem elektrisch isolierenden Material zu verstehen, das gegebenenfalls auch auf der Oberfläche einen Schutzfilm bilden kann.
Unter dem Begriff "Versiegelung" ist im Sinne der vorliegen­ den Erfindung eine Oberflächenbehandlung der porösen Keramik­ schicht mit einem elektrisch isolierenden Material zu verste­ hen, das zumindest im Oberflächenbereich in die Poren ein­ dringt und auf der Oberfläche einen Schutzfilm bildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung eines Leistungsbauelements auf einem Kühlkörper und
Fig. 2 einen stark vergrößerten Schnitt durch den Verbin­ dungsbereich der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.
In Fig. 1 ist mit LB ein Leistungsbauelement, beispielsweise ein Leistungshalbleiter, bezeichnet, der über eine Lotschicht L mit einem Wärmespreizelement WS aus Kupfer verbunden ist. Der elektrische Anschluß des Leistungsbauelements LB erfolgt über in Fig. 1 angedeutete Bonddrähte auf eine nicht darge­ stellte Schaltung.
Das scheibenförmige Wärmespreizelement WS ist über eine wärmeleitende Kleberschicht K und über eine thermisch leiten­ de, elektrisch isolierende Keramikschicht KS mit einem Kühl­ körper KK verbunden, der aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium besteht. Der Kühlkörper KK kann auch die Form eines von Kühlwasser durchströmten, rechteck­ förmigen Rohres aufweisen.
Die Keramikschicht KS wird durch thermisches Spritzen, vor­ zugsweise durch Plasmaspritzen, auf die Oberfläche des Kühl­ körpers KK aufgebracht. Die Stärke der beispielsweise aus Oxidkeramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid bestehenden Keramikschicht KS, richtet sich dabei nach dem geforderten elektrischen Isoliervermögen.
Eine durch thermisches Spritzen auf einen Kühlkörper KK aufgebrachte Keramikschicht KS weist eine gewisse Porosität auf, die ohne zusätzliche Maßnahmen zu einer unerwünschten Hygroskopizität des Schichtsystems führen würde. Diese Poro­ sität der Keramikschicht KS ist in dem in Fig. 2 dargestell­ ten Schnitt durch die weiten Abstände zwischen den einzelnen Keramik-Partikeln KP stark übertrieben dargestellt. Anderer­ seits wird durch diese stark übertrieben dargestellte Porosi­ tät die Wirkung einer Imprägnierung der Keramikschicht KS verdeutlicht, bei welcher ein elektrisch isolierendes Materi­ al M die Keramikschicht KS völlig durchdrängt und damit eine Hygroskopizität des Schichtsystems mit Sicherheit verhindert.
Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Imprägnierung kann die Keramikschicht KS aber auch versiegelt werden, wobei hier das elektrisch isolierende Material M zumindest im Oberflächenbe­ reich in die Poren eindringt und auf der Oberfläche einen Schutzfilm bildet. In beiden Fällen kann als elektrisch isolierendes Material M eine beispielsweise im Temperaturbe­ reich zwischen 600°C und 800°C schmelzende Keramikglasur, ein härtbares Harz oder ein härtbarer Kleber verwendet werden.
Vorzugsweise wird zur Imprägnierung oder Versiegelung der Keramikschicht KS ein Epoxid-Harz verwendet. Zur kondensat­ freien Imprägnierung oder Versiegelung kann die Beschich­ tungswärme genutzt werden, oder es wird ein Ausheizvorgang zwischengeschaltet. Von besonderer Wichtigkeit ist dabei, daß das Epoxid-Harz nach der Behandlung der Keramikschicht KS porenfrei bleibt. Dies wird beispielsweise durch eine Nieder­ druck- oder Vakuumimprägnierung gewährleistet.
In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel wird die imprägnierte Keramikschicht KS über eine Kleberschicht K mit dem Wärmespreizelement WS verbunden. Vorzugsweise wird als Material für die Kleberschicht K eben­ falls ein Epoxid-Harz verwendet. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit kann der Kleberschicht K auch ein thermisch leitendes Pulver, wie z. B. Nickel-Pulver, beige­ mischt werden.
Abweichend von dem vorstehend geschilderten und in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, kann die Keramikschicht KS auch auf das Wärmespreizelement WS aufge­ bracht und anschließend imprägniert oder versiegelt werden. Es ist aber auch möglich, sowohl auf den Kühlkörper KK, als auch auf das Wärmespreizelement WS Keramikschichten KS aufzu­ bringen und diese dann nach einer Imprägnierung oder Versie­ gelung über eine Kleberschicht K miteinander zu verbinden.

Claims (16)

1. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung zwischen zwei Werkstücken, mit folgenden Merkmalen:
  • a) auf mindestens eine Werkstückoberfläche ist eine Keramik­ schicht (KS) durch thermisches Spritzen aufgebracht;
  • b) die Keramikschicht (KS) ist mit einem elektrisch isolie­ renden Material (M) imprägniert oder versiegelt;
  • c) die imprägnierte oder versiegelte Keramikschicht (KS) ist mit der anderen Werkstückoberfläche oder mit der auf die andere Werkstückoberfläche aufgebrachten, imprägnierten oder versiegelten Keramikschicht (KS) verbunden.
2. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus Oxidkeramik bestehende Keramikschicht (KS).
3. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine aus Aluminiumoxid bestehende Keramikschicht (KS).
4. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (KS) mit einem Harz oder Kleber imprä­ gniert oder versiegelt ist.
5. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (KS) mit Epoxid-Harz imprägniert oder versiegelt ist.
6. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (KS) mit einer niedrigschmelzenden Keramikglasur imprägniert oder versiegelt ist.
7. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der imprägnierten oder versiegelten Kera­ mikschicht (KS) mit der anderen Werkstückoberfläche oder mit der auf die andere Werkstückoberfläche aufgebrachten, imprä­ gnierten oder versiegelten Keramikschicht (KS) eine Kleber­ schicht (K) dient.
8. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Kleberschicht (K) aus Epoxid-Harz.
9. Thermisch leitende, elektrisch isolierende Verbindung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleberschicht (K) ein thermisch leitendes Pulver beigemischt ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Verbindung zwischen zwei Werkstücken, mit folgenden Schritten:
  • a) auf mindestens eine Werkstückoberfläche wird eine Keramik­ schicht (KS) durch thermisches Spritzen aufgebracht;
  • b) die Keramikschicht (KS) wird mit einem elektrisch isolie­ renden Material (M) imprägniert oder versiegelt;
  • c) die imprägnierte oder versiegelte Keramikschicht (KS) wird mit der anderen Werkstückoberfläche oder mit der auf die andere Werkstückoberfläche aufgebrachten, imprägnierten oder versiegelten Keramikschicht (KS) verbunden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (KS) durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Niederdruck- oder Vakuumimprägnierung der Keramikschicht (KS) mit einem Harz oder Kleber.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Niederdruck- oder Vakuumimprägnierung der Keramikschicht (KS) mit Epoxid-Harz.
14. Verfahren nach einem der Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die imprägnierte oder versiegelte Keramikschicht (KS) mit der anderen Werkstückoberfläche oder mit der auf die andere Werkstückoberfläche aufgebrachten, imprägnierten oder versie­ gelten Keramikschicht (KS) über eine Kleberschicht (K) ver­ bunden wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Verwendung einer aus Epoxid-Harz bestehenden Kleber­ schicht (K).
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleberschicht (K) ein thermisch leitendes Pulver beigemischt wird.
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