DE10010637A1 - Schaltungsmodul - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen, bei einem Schaltungsmodul (1) als Wärmeübertragungsmittel (6) zwischen einer Schaltungsanordnung (2) und einer Kühleinrichtung (8) anstelle einer festen Bodenplatte ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, Gel, Paste oder dergleichen, und/oder ein Gas und/oder ein Gemisch davon vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Schaltungsanordnungen, insbesondere Halbleiterschaltungsan­ ordnungen, werden häufig in Form von Schaltungsmodulen, Halb­ leitermodulen oder dergleichen aufgebaut. Diese Modulbauform hat den besonderen Vorteil der kompakten und räumlich dicht gedrängten Bauweise, bringt aber hinsichtlich der Anforderun­ gen an das Isolationsverhalten sowie an die Auskopplung der in den im Modul angeordneten Bauteilen erzeugten Verlustwärme Probleme mit sich.

Herkömmliche Schaltungsmodule und insbesondere klassische Leistungshalbleitermodule bestehen üblicherweise aus Silizi­ umchips, welche auf ein metallisiertes Keramiksubstrat mit­ tels einer Lötverbindung aufgebracht sind. Die einzelnen Si­ liziumchips auf dem Keramiksubstrat werden mittels sogenann­ ter Dickdrahtbondtechnik verschaltet. Die Keramiksubstrate bewirken eine elektrische Isolation und hierdurch eine Ent­ kopplung zwischen elektrischem Schaltkreis und Kühlkreis des Moduls. Ein oder mehrere der Substrate mit entsprechenden darauf angebrachten Siliziumchips werden auf eine Bodenplatte montiert, insbesondere durch Auflöten. Danach werden die Bo­ denplatten auf einen entsprechenden Kühlkörper aufgeschraubt, so dass die im Modul entstehende Wärme von der Schaltungsan­ ordnung, insbesondere von den Siliziumchips, durch entspre­ chende Lötverbindungsschichten, die Keramiksubstratschicht und die Bodenplatte auf den Kühlkörper übertragen und darauf­ folgend an die Umgebung abgeführt wird.

Aufgrund des thermischen Widerstandes an der Grenzschicht zwischen der Bodenplatte und dem Kühlkörper ist es üblich, der Bodenplatte eine gewölbte und/oder eine ballige Formgebung aufzuprägen, so dass beim Verschrauben in den Randberei­ chen der Bodenplatte durch die Zug- und Druckkräfte der leichten Krümmung der Bodenplatte entgegengewirkt und diese aufgehoben wird und somit ein inniger Kontakt zwischen der Bodenplatte und der Anlageplatte des Kühlkörpers entsteht. Die dadurch hervorgerufene Deformation im Keramiksubstrat, in den metallischen Auflageschichten und in den Siliziumchips selbst stellen innerhalb der einzelnen Schichten mechanische Insultien dar, die zu einem Bruch des Materials und damit zum Verlust der internen Modulisolation führen können, was zu Si­ cherheitsmängeln führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltungsmodul zu schaffen, bei welchem die im Modul entstehende Verlust­ wärme oder Abwärme besonders effektiv abgeführt werden kann und bei welchem gleichwohl eine mechanische Beanspruchung des Moduls und insbesondere der darin enthaltenen Schaltungsan­ ordnung besonders zuverlässig vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Schaltungsmodul mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Das gattungsgemäße Schaltungsmodul, insbesondere Halbleiter­ modul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, besteht aus einer Schaltungsanordnung, einer Kühleinrichtung, welche zum Abführen der Kühleinrichtung zugeführter Wärmemenge an die Umgebung ausgebildet ist, und einem Wärmeübertragungsmittel, welches zum Übertragen von der Schaltungsanordnung erzeugter Wärmemenge an die Kühleinrichtung ausgebildet ist. Das erfin­ dungsgemäße Schaltungsmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, ein Gel, eine Paste oder dergleichen, und/oder ein Gas und/oder ein Gemisch davon vorgesehen ist.

Es ist somit eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, an­ stelle der beim Stand der Technik für Schaltungsmodule insbe­ sondere zur Wärmeauskopplung, vorgesehenen Bodenplatte und deren Verschraubung auf der Kühleinrichtung, zwischen der Schaltungsanordnung und der Kühleinrichtung als Wärmeübertra­ gungsmittel nicht einen festen Körper mit seinen mechanischen Ankopplungsproblemen vorzusehen, sondern gerade ein mecha­ nisch weiches Wärmeübertragungsmittel, nämlich ein Fluid, ein Gas, oder ein Gemisch davon.

Unter dem Begriff Fluid werden nachfolgend ganz allgemein al­ le im wesentlichen nicht festkörperartigen und/oder mecha­ nisch weichen Materialien, insbesondere also Flüssigkeiten, Gele, Pasten oder dergleichen, verstanden. Es können aber auch Gase oder Gemische mehrerer Fluide und/oder Gase mitein­ ander vorgesehen sein. Es kann somit auch daran gedacht wer­ den, bestimmte Schäume oder aufgeschäumte Gele oder Pasten, Emulsionen von Flüssigkeiten oder dergleichen als Wärmeüber­ tragungsmittel bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsmodul vor­ zusehen.

Alle diese mechanisch weichen Wärmeübertragungsmittel haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie mecha­ nisch nachgiebig sind und dabei gleichwohl einen innigen Kon­ takt zur Schaltungsanordnung einerseits und zur Kühleinrich­ tung andererseits herstellen können.

Eine feste, harte und/oder starke mechanische Kontaktierung oder Ankopplung, wie sie beim Stand der Technik durch das Auflöten auf eine Bodenplatte und das nachfolgende Aufschrau­ ben der Bodenplatte auf einen Kühlkörper vorgesehen ist, ent­ fällt bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsmodul, wodurch er­ reicht wird, dass trotz der effektiven Wärmekopplung zwischen Schaltungsanordnung und Kühleinrichtung ein harter mechani­ scher Kontakt mit der entsprechenden Gefahr entfällt, Verbie­ gungen oder Deformationen im Bereich der Schaltungsanordnung und damit mechanische Brüche hervorzurufen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist mindestens ei­ nen Halbleiterchip und/oder mindestens ein weiteres elektro­ nisches Bauteil auf. Es kann also grundsätzlich daran gedacht werden, diskrete und klassische elektronische Bauteile im er­ findungsgemäßen Schaltungsmodul anzuordnen. Insbesondere aber bietet es sich an, die erfindungsgemäße Schaltungsmodulbau­ weise bei Leistungshalbleitermodulen einzusetzen, die eine besonders starke Wärmeentwicklung aufgrund der zu schaltenden hohen Ströme und Spannungen erzeugen. Schließlich ist auch eine Kombination von Halbleiterchips mit weiteren auch klas­ sischen, diskreten elektronischen Bauteilen möglich.

Obwohl bei der Montage ein Trägermedium nicht unbedingt er­ forderlich ist, werden die Halbleiterchips und/oder die wei­ teren elektronischen Bauteile bevorzugt jeweils auf minde­ stens einem, insbesondere gemeinsamen, im wesentlichen elek­ trisch isolierenden, insbesondere keramischen oder kunstst­ offartigen, Grundsubstrat angeordnet. Dieses Grundsubstrat bildet die mechanische Basis um der darauf angeordneten Schaltungsanordnung die mechanische Stabilität zu geben und die einzelnen elektronischen Bauteile an festen Orten zu po­ sitionieren. Es sind auch mehrere Substrate bei der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich.

Dabei ist es auch vorgesehen, dass zwischen dem Grundsubstrat und den Halbleiterchips und/oder den weiteren elektronischen Bauteilen jeweils ein im wesentlichen elektrisch leitfähiges, insbesondere metallisches, Kontaktsubstrat vorgesehen ist. Dieses Kontaktsubstrat definiert zum einen die Verschaltung zwischen den einzelnen Halbleiterchips und/oder den weiteren elektronischen Bauteilen und ermöglicht darüber hinaus die Verschaltung mit weiteren Leitungseinrichtungen.

Zur Verschaltung innerhalb der Schaltungsanordnung, insbeson­ dere der Halbleiterchips und/oder der weiteren elektronischen Bauteile untereinander, sind interne Leitungseinrichtungen, insbesondere Bonddrähte, vorgesehen.

Zum externen Kontaktieren des Schaltungsmoduls, der Schal­ tungsanordnung und insbesondere der Halbleiterchips und/oder der weiteren elektronischen Bauteile sind externe Leitungs­ einrichtungen, insbesondere in Dickdrahtbondtechnik, vorgese­ hen. Diese externen Leitungseinrichtungen können Steuerlei­ tungen sowie, insbesondere bei Leistungshalbleitermodulen, entsprechende Lastleitungen sein.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die Kühleinrichtung zur Aufnahme zumindest der Schaltungsanordnung sowie des Wärme­ übertragungsmittels ausgebildet ist. Dadurch wird gewährlei­ stet, dass eine besonders innige Wärmekopplung zwischen der Schaltungsanordnung und der Kühleinrichtung mittels des Wär­ meübertragungsmittels hergestellt wird und bleibt.

Dabei wird bevorzugt, dass die Kühleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie zumindest um die Schaltungsanordnung und das Wärmeübertragungsmittel herum einen, insbesondere geschlosse­ nen, Hohlraumbereich bildet. Dies hat den Vorteil, dass so­ wohl die Schaltungsanordnung als auch das Wärmeübertragungs­ mittel in einem geschützten und abgeschlossenen Bereich ange­ ordnet sind und bleiben und dass ein Verlust an abdampfendem Wärmeübertragungsmittel vermieden wird.

Es ist von besonderem Vorteil, dass die Kühleinrichtung gegen ein Entweichen des Wärmeübertragungsmittels aus dem Hohlraum­ bereich mechanisch im wesentlichen dicht ausgebildet ist.

Eine besonders einfache Ausgestaltungsform des erfindungsge­ mäßen Schaltungsmoduls ergibt sich, wenn die Kühleinrichtung in Form eines Gehäuses ausgebildet ist, durch welches zumin­ dest die Schaltungsanordnung und das Wärmeübertragungsmittel umschließbar und/oder einschließbar sind. Dies bietet den größtmöglichen mechanischen Schutz sowohl für die Schaltungs­ anordnung als auch für das Wärmeübertragungsmittel und ver­ hindert auf besonders einfache Weise ein Entweichen des Wärmeübertragungsmittels aus dem Hohlraumbereich der Kühlein­ richtung sowie ein Eindringen von Fremdsubstanzen. Außerdem wird eine Verminderung der Anzahl der Bauteile dadurch be­ wirkt, dass das ohnehin in der Regel vorzusehende Gehäuse zum Schutz der Schaltungsanordnung die notwendige Kühleinrichtung gleich mit integriert, wogegen beim Stand der Technik Gehäuse und aufzuschraubende Kühlkörper voneinander mechanisch ge­ trennte Einheiten oder Bauteile bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls wird das Gehäuse von mindestens einem Gefäß­ element und gegebenenfalls einem Verschlusselement gebildet. Grundsätzlich ist ein hermetisch abgeschlossenes einstückiges Gehäuse denkbar, in welchem die Schaltungsanordnung und das Wärmeübertragungsmittel gleichsam eingeschweißt sind. Es ist jedoch auch denkbar, zum einen ein Gefäßelement und daran ei­ nen anzubringenden Deckel oder ein Verschlusselement vorzuse­ hen, so dass grundsätzlich noch Modifikationen des so aufge­ bauten erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls möglich sind. Dies eröffnet die Möglichkeit einer nachträglichen Variation des Wärmeübertragungsmittels, einer Reparatur oder dergleichen.

Von besonderem Vorteil ist dabei, dass das Gehäuse, insbeson­ dere das Gefäßelement und/oder das Verschlusselement, Durch­ führungen zumindest für die externen Leitungseinrichtungen aufweist. Dies gewährleistet den notwendigen Kontakt des er­ findungsgemäßen Schaltungsmoduls mit der Außenwelt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls ist es vorgesehen, dass im Be­ reich der Durchführungen Dichtelemente ausgebildet sind, durch welche der Hohlraumbereich gegen ein Entweichen und/oder ein Eindringen von Fluiden und Gasen, insbesondere des Wärmeübertragungsmittels, mechanisch abdichtbar und/oder durch welche das Gehäuse gegen durchgeführte Elemente, insbe­ sondere also die externen Leitungseinrichtungen, elektrisch isolierbar ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass - unabhängig von den Materialeigenschaften der Kühleinrichtung, insbesondere des Gehäuses - ein Entweichen des Wärmeübertra­ gungsmittels, insbesondere bei dessen Erhitzen, vermieden wird. Andererseits wird ebenfalls vermieden, dass Gase, ins­ besondere z. B. Luftsauerstoff, oder andere Substanzen in das Schaltungsmodul eintreten können, um dort allein oder im Zu­ sammenwirken mit dem Wärmeübertragungsmittel zu chemischen Reaktionen, Korrosion oder dergleichen zu führen. Des weite­ ren ist es wichtig, dass durch die Dichtelemente, gerade bei hohen Spannungen und Strömen in Leistungshalbleitermodulen, ein elektrischer Kontakt zur Kühleinrichtung, insbesondere zum Gehäuse, vermieden wird. Dies alles wird durch die eben beschriebenen Maßnahmen gewährleistet.

Gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des er­ findungsgemäßen Schaltungsmoduls ist es vorgesehen, dass zur elektrischen Isolation und/oder zur Vermeidung eines direkten Kontaktes mit dem Wärmeübertragungsmittel im Bereich der ex­ ternen Leitungseinrichtungen, im Bereich der internen Lei­ tungseinrichtungen und/oder im Bereich der Schaltungsanord­ nung jeweils eine Isoliereinrichtung vorgesehen ist. Diese Isoliereinrichtung kann bei den jeweiligen Leitungseinrich­ tungen einfach aus einem chemisch inerten und/oder elektrisch isolierenden Schutzfilm bestehen. Selbstverständlich muß die­ ser Schutzfilm gerade bei der Applikation hoher Spannungen in Leistungshalberleitermodulen eine Durchbruchsspannung aufwei­ sen, die größer ist, als die maximal vom Leistungshalbleiter­ modul oder vom erfindungsgemäßen Schaltungsmodul verarbeite­ ten Spannung. Eine einfache elektrische und mechanische Iso­ lationsmöglichkeit hinsichtlich der Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls besteht in einer Kapse­ lung, insbesondere der Halbleiterchips und/oder der weiteren elektronischen Bauelemente, mittels entsprechender Vergussma­ ssen.

Diese Isolationsmaßnahmen hinsichtlich des elektrischen und/ oder des mechanischen Kontaktes mit dem Wärmeübertragungsmittel können aber auch entfallen, wenn es sich bei dem Wärme­ übertragungsmittel um ein entsprechendes inertes und/oder elektrisch isolierendes und/oder nicht polarisierbares Medium handelt.

Die Schaltungsanordnung im erfindungsgemäßen Schaltungsmodul kann zwar durch die externen Leitungseinrichtungen im Bereich des durch die Kühleinrichtung gebildeten Gehäuses gehaltert werden, wenn diese die dazu notwendige Stabilität aufweisen. Es ist aber von besonderem Vorteil, wenn unabhängig von den externen Leitungseinrichtungen eine Halteeinrichtung vorgese­ hen ist, durch welche zumindest die Schaltungsanordnung im Schaltungsmodul in Kontakt mit dem Wärmeübertragungsmittel halterbar ist.

Dabei ist die Halteeinrichtung vorteilhafterweise so ausge­ bildet, dass sie sich an der Kühleinrichtung, insbesondere also am Gehäuse, abstützt und/oder dass durch sie zumindest die Schaltungsanordnung unter Vermeidung eines direkten me­ chanischen und/oder elektrischen Kontaktes mit der Kühlein­ richtung federnd lagerbar ist. Es wird gewährleistet, dass im Hohlraumbereich der Kühleinrichtung zumindest die Schaltungs­ anordnung federnd gelagert wird, womit also externe mechani­ sche Stöße abgefangen werden können. Es kann dabei auch zu keinerlei mechanischer Beanspruchung durch die Federbewegung kommen, weil ein Kontakt insbesondere der Schaltungsanord­ nung, mit den Wänden des Gehäuses der Kühleinrichtung und da­ mit entsprechende Stöße vermieden werden. Somit wird auch bei robuster Handhabung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine mechanische Beschädigung abgewendet und gleichwohl durch die Sicherstellung eines ständigen Kontaktes mit dem Wärme­ übertragungsmittel ein Abführen der Verlustwärme aus der Schaltungsanordnung an die Umgebung gewährleistet.

Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es besonders vorteilhaft, dass das Wärmeübertragungsmittel eine chemisch inerte Flüs­ sigkeit, insbesondere mit hoher spezifischer Wärmekapazität, angepasstem Siedepunkt und/oder hoher Verdampfungsenthalpie, oder ein Gemisch derartiger Flüssigkeiten und/oder entspre­ chender Gase aufweist. Die chemische Inertheit verhindert chemische, insbesondere elektrochemische, Prozesse im Hohl­ raumbereich der Kühleinrichtung, wie z. B. Korrosion oder der­ gleichen, und gewährleistet vor allem die elektrische Isola­ tion im Kühlmedium. Eine hohe spezifische Wärmekapazität des Wärmeübertragungsmittels gewährleistet einen besonders effek­ tiven Wärmemengentransport von der Wärmequelle, nämlich der Schaltungsanordnung, zur Wärmesenke, nämlich der Kühleinrich­ tung hin. Ein angepasster Siedepunkt und/oder eine hohe Ver­ dampfungsenthalpie ermöglichen insbesondere die Ausbildung einer effektiven Siedekühlung, bei welcher durch das Verdamp­ fen von Wärmeübertragungsmittel und das anschließende Konden­ sieren des verdampften Wärmeübertragungsmittels an den Wänden des Gehäuses der Kühleinrichtung besonders hohe Wärmemengen übertragen werden können.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist als Wärme­ übertragungsmittel Wasser mit seiner hohen spezifischen Wär­ mekapazität vorgesehen, insbesondere hochreines Wasser, wel­ ches sich durch eine besondere chemische Inertheit und eine entsprechende geringe elektrische Leitfähigkeit ausweist.

Zur Erzielung einer Siedekühlung, wie sie oben bereits be­ schrieben wurde, ist es vorgesehen, dass der Hohlraumbereich der Kühleinrichtung, insbesondere des Gefäßes, eine derartige Menge an Wärmeübertragungsmittel enthält, deren Volumen im nicht gasförmigen Zustand dieser Menge des Wärmeübertragungs­ mittels geringer ist als das Volumen des Hohlraumbereichs, so dass im Hohlraumbereich immer ein freies Volumen verbleibt, welches auch im thermisch ausgedehnten Zustand des fluiden, nicht gasförmigen Wärmeübertragungsmittels kein fluides Wär­ meübertragungsmittel enthält. So kann aus der Oberfläche der nicht gasförmigen Phase des Wärmeübertragungsmittels Wärme­ übertragungsmittel verdampfen, in die gasförmige Phase über­ gehen und dann an den Wänden des Gefäßes der Kühleinrichtung wieder kondensieren, um dann in die nicht gasförmige Phase des Wärmeübertragungsmittels zurückgeführt zu werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls ist es für eine besonders ef­ fektive Kühlwirkung des Schaltungsmoduls vorgesehen, dass die Kühleinrichtung, insbesondere das Gefäß, zumindest auf der vom Wärmeübertragungsmittel abgewandten Seite Kühlrippen auf­ weist, nämlich außerhalb des Hohlraumbereichs. Dadurch wird erreicht, dass die Wärmemengeabgabe an die Umgebung über die vergrößerte Oberfläche besonders rasch und effektiv erfolgt. Es kann andererseits auch daran gedacht werden, dass die Küh­ leinrichtung auf der dem Wärmeübertragungsmittel zugewandten Seite, also im Hohlraumbereich eine Rippenstruktur aufweist, die der besonders effektiven Wärmemengeaufnahme über die so­ mit vergrößerte Oberfläche dient.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls weiter erläutert. In dieser zeigen

Fig. 1 in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls;

Fig. 2A und 2B in schematischer und teilweise geschnittener Draufsicht zwei Anordnungen einer Kühleinrich­ tung gemäß zweier weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls und

Fig. 3 eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Schaltungsmo­ duls aus dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Schaltungsmoduls 1 dargestellt.

Die Kühleinrichtung 6 dieses Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Schaltungsmoduls 1 wird von einem Gefäß 7a mit einem entsprechenden Verschluss 7b gebildet. An der Außenwand des Gefäßes 7a sind Kühlrippen 9 umfänglich angeordnet. Das Gefäßelement 7a und das Verschlusselement 7b bilden einen Hohlraumbereich 3, welcher zum Teil mit einem Wärmeübertra­ gungsmittel 4 in flüssiger Form gefüllt ist, wobei ein freies Volumen 5 im Hohlraumbereich 3 bestehen bleibt, welches höch­ stens von Wärmeübertragungsmitteldampf und gegebenenfalls von einem Inertgas, z. B. Stickstoff, gefüllt ist.

Ebenfalls im Hohlraumbereich 3 der Kühleinrichtung 6 ist die Schaltungsanordnung 2 enthalten. Diese besteht aus einem Grundsubstrat 10 aus z. B. einem keramischen oder kunst­ stoffartigen Material, auf welchem Kontaktbereiche 12 in me­ tallischer Form ausgebildet sind. Auf mindestens einem der Kontaktbereiche 12 - hier dem Mittleren - ist durch Verlöten ein Halbleiterchip 8 befestigt und kontaktiert. Die Kontakt­ bereiche 12 und der Halbleiterchip 8 sind über Bonddrähte als interne Leitungseinrichtungen 14 miteinander elektrisch ver­ bunden und verdrahtet. Zur externen Kontaktierung sind ex­ terne Leitungseinrichtungen 15 mit den Kontaktbereichen 12 kontaktiert und, vom Grundsubstrat 10 ausgehend, nach außen außerhalb des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls 1 geführt. Dabei werden die externen Leitungseinrichtungen 15 durch das Verschlusselement 7b durch Durchführungen 16a geführt, wobei zur elektrischen Isolation und zum mechanischen Abdichten in den Durchführungsbereichen 16a Dichtelemente 16b vorgesehen sind.

Zur elektrischen Isolation und zum Verhindern eines unter Um­ ständen chemisch bedenklichen direkten Kontakts mit dem Wär­ meübertragungsmittel 4 können die externen Leitungseinrichtungen 15 und die Schaltungsanordnung 2 mit entsprechenden Isolationsmitteln 17 bzw. 18 versehen sein, wobei das Isola­ tionsmittel 18 der Schaltungsanordnung 2 hier als sogenannte Vergussmasse ausgeführt ist. Die Isolationsmittel 17 und 18 können auch als dünne Schutzschichten oder -filme ausgebildet sein.

Zur besseren mechanischen Fixierung und Positionierung sowie zur Schwingungsdämpfung ist die Schaltungsanordnung 2 optimal mittels einer Halteeinrichtung 19 im Hohlraumbereich 3 gehal­ tert, wobei sich die Halteeinrichtung 19 zum einen am Ver­ schlusselement 7b der Kühleinrichtung 6 abstützt und zum an­ deren am Grundsubstrat 10 der Schaltungsanordnung fixiert ist.

Das Füllvolumen oder die Füllmenge an Wärmeübertragungsmittel 4 im Hohlraumbereich 3 ist idealerweise so gewählt, dass un­ abhängig von der Lage und Orientierung des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls 1 im Schwerefeld der Erde das freie Volumen 5 im Hohlraumbereich 3 zu keinem Zeitpunkt so im Hohlraumbe­ reich 3 ausgebildet ist, dass die Schaltungsanordnung 2 und insbesondere das Grundsubstrat 10 von Wärmeübertragungsmittel 4 unbenetzt sind. Das bedeutet, der Füllstand im Hohlraumbe­ reich 3 an Wärmeübertragungsmittel 4 wird jeweils so gewählt, dass die gesamte Schaltungsanordnung 2 unabhängig von Lage und Bewegungszustand des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls 1 ständig in Kontakt ist mit dem Wärmeübertragungsmittel 4. Dies gewährleistet eine ständige Wärmeübertragung und somit Kühlung der Schaltungsanordnung 2.

Kann dieser Idealzustand nicht realisiert werden, so ist es vorteilhaft, eine bevorzugte Einbaulage oder -orientierung für die Schaltungsanordnung vorzusehen und anzugeben.

In den Fig. 2A und 2B sind Querschnittsdraufsichten zweier weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schal­ tungsmoduls gezeigt, wobei hier dem Gehäuse 7a und 7b eine rechteckige bzw. kreisförmige Grundfläche zugrunde gelegt ist. Grundsätzlich sind aber auch irreguläre Gehäuseformen denkbar, welche an bestimmte Einbaubedingungen oder derglei­ chen angepasst sind.

Fig. 3 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht, in analoger Weise zu Fig. 1, ein Schaltungsmo­ dul aus dem Stand der Technik. Im Gegensatz zum erfindungsge­ mäßen Schaltungsmodul findet beim Schaltungsmodul aus dem Stand der Technik eine Wärmeübertragung vom Grundsubstrat 10 zunächst auf eine Bodenplatte 30 statt, was voraussetzt, dass zwischen Grundsubstrat 10 und Bodenplatte 30 ein inniger me­ chanischer und die Wärmeleitung begünstigender Kontakt herge­ stellt wird. Dies wird in der Regel durch Verlöten erreicht.

Zum Abführen der an die Bodenplatte 30 übertragenen Wärme ist diese mit einem Kühlkörper 31 verbunden, welcher seinerseits eine Mehrzahl von Kühlrippen 32 aufweist. Um einen optimalen Wärmeübergang von der Bodenplatte 30 zum Kühlkörper 31 zu ge­ währleisten ist die Bodenplatte an ihrer Unterseite leicht konvex ausgebildet, so dass beim Fixieren mittels der Schraubelemente 33 im Randbereich der Bodenplatte der ent­ sprechende Zug der konvexen Krümmung entgegenwirkt, so dass eine planare Kontaktfläche zwischen Bodenplatte 30 und Kühl­ körper 31 über die Randverschraubung erzwungen wird.

Da nun bei der Vorfertigung der Schichtstruktur aus Halblei­ terchip 8, Kontaktbereich 12, Grundsubstrat 10 sowie Boden­ platte 30 deren konvexe Formgebung vorgegeben wird, führt die Aufhebung der konvexen Formgebung in der Bodenplatte 30 durch Anziehen der Schraubelemente 33 zu einer mechanischen Ver­ spannung an den Grenzflächen zwischen Bodenplatte 30 und Grundsubstrat 10, zwischen Grundsubstrat 10 und Kontaktberei­ chen 12 und schließlich zwischen Kontaktbereiche 12 und Halb­ leiterchips 8. Dies erhöht die Gefahr von Brüchen und Rissen an den jeweiligen Grenzflächen oder auch von Brüchen und mechanischen Fehlern in den jeweiligen Schichten selbst und da­ mit zum Ausfall von Bauelementen.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen, nämlich dem Vorsehen ei­ nes fluiden oder gasförmigen Wärmeübertragungsmittels 4 und damit der Entbehrlichkeit der festen und starren mechanischen Fixierung des Grundsubstrats 10 auf einer Bodenplatte 30 und einem Kühlkörper 31, werden die mechanischen Fixierungspro­ bleme des Standes der Technik vermieden, und darüber hinaus wird auch die Anzahl der Baugruppen vermindert, weil das Vor­ sehen einer Bodenplatte 30 und eines Kühlkörpers 31 entfällt, zumal der Kühlkörper 6 des erfindungsgemäßen Schaltmoduls 1 gleichzeitig auch das Gehäuse 7a, 7b des Schaltmoduls 1 bil­ det.

Bezugszeichenliste

1

Schaltungsmodul

2

Schaltungsanordnung

3

Hohlraumbereich

4

Wärmeübertragungsmittel

5

freies Volumen

6

Kühleinrichtung

7

a Gehäuse, Gefäßelement

7

b Gehäuse, Verschlusselement

8

Halbleiterchip

9

Kühlrippen

10

Grundsubstrat

12

Kontaktbereich

14

interne Leitungseinrichtung

15

externe Leitungseinrichtung

16

a Durchführungsbereich

16

b Dichtelement

17

Isolationsmittel

18

Isolationsmittel

19

Halteeinrichtung

30

Bodenplatte

31

Kühlkörper

32

Kühlrippen

33

Schraubelement

Claims (20)

1. Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungs­ halbleitermodul oder dergleichen, mit:

• - einer Schaltungsanordnung (2),
• - einer Kühleinrichtung (6), welche zum Abführen der Kühlein­ richtung (6) zugeführter Wärmemenge an die Umgebung ausge­ bildet ist, und
• - einem Wärmeübertragungsmittel (4), welches zum Übertragen von der Schaltungsanordnung (2) erzeugter Wärmemenge an die Kühleinrichtung (6) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel (4) ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, Gel, Paste oder dergleichen, und/oder ein Gas und/oder ein Gemisch davon vorgesehen ist.

2. Schaltungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (2) mindestens einen Halbleiter­ chip (8) und/oder mindestens ein weiteres elektronisches Bau­ teil aufweist.

3. Schaltungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (8) und/oder die weiteren elektroni­ schen Bauteile jeweils auf einem, insbesondere gemeinsamen, Grundsubstrat (10) angeordnet sind, welches insbesondere aus einem im wesentlichen elektrisch isolierenden, insbesondere keramischen oder kunststoffartigen, Material ausgebildet ist.

4. Schaltungsmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundsubstrat (10) und den Halbleiterchips (8) und/oder den weiteren elektronischen Bauteilen jeweils ein im wesentlichen elektrisch leitfähiges, insbesondere me­ tallisches, Kontaktsubstrat (12) vorgesehen ist.

5. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschaltung der Schaltungsanordnung, insbesondere der Halbleiterchips (8) und/oder der weiteren elektronischen Bauteile untereinander, interne Leitungseinrichtungen (14), insbesondere in Form von Bonddrähten, vorgesehen sind.

6. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum externen Kontaktieren des Schaltungsmoduls (1), der Schaltungsanordnung (2) und insbesondere der Halbleiterchips (8) und/oder der weiteren elektronischen Bauteile, externe Leitungseinrichtungen (15) vorgesehen sind.

7. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) zur Aufnahme zumindest der Schaltungsanordnung (2) sowie des Wärmeübertragungsmittels (4) ausgebildet ist.

8. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie zu­ mindest um die Schaltungsanordnung (2) und das Wärmeübertra­ gungsmittel (4) herum einen, insbesondere geschlossenen, Hohlraumbereich (3) bildet.

9. Schaltungsmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) gegen ein Entweichen des Wärme­ übertragungsmittels (4) aus dem Hohlraumbereich (3) mecha­ nisch im wesentlichen dicht ausgebildet ist.

10. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) in Form eines Gehäuses (7a, 7b) ausgebildet ist, durch welche zumindest die Schaltungsanord­ nung (2) und das Wärmeübertragungsmittel (4) umschließbar und/oder einschließbar sind.

11. Schaltungsmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7a, 7b) mindestens ein Gefäßelement (7a) und gegebenenfalls ein Verschlusselement (7b) aufweist.

12. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7a, 7b), insbesondere das Gefäßelement (7a) und/oder das Verschlusselement (7b), Durchführungen (16a) zu­ mindest für die externen Leitungseinrichtungen (15) aufweist.

13. Schaltungsmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Durchführungen (16a) Dichtelemente (16b) vorgesehen sind, durch welche der Hohlraumbereich (3) gegen ein Entweichen und/oder Eindringen von Fluiden und Gasen, insbesondere des Wärmeübertragungsmittels (4), mechanisch ab­ dichtbar und/oder durch welche das Gehäuse (7a, 7b) gegen durchgeführte Elemente, insbesondere die externen Leitungs­ einrichtungen (15), elektrisch isolierbar ist.

14. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Isolation und/oder zur Vermeidung eines direkten Kontaktes mit dem Wärmeübertragungsmittel (4) im Be­ reich der externen Leitungseinrichtungen (15), im Bereich der internen Leitungseinrichtungen (14) und/oder im Bereich der Schaltungsanordnung (2) jeweils eine Isoliereinrichtung (17, 18), insbesondere in Form einer dünnen Schicht, vorgesehen ist.

15. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung (19) vorgesehen ist, durch welche zumindest die Schaltungsanordnung (2) im Schaltungsmodul (1) in Kontakt mit dem Wärmeübertragungsmittel (4) halterbar ist.

16. Schaltungsmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (19) so ausgebildet ist, dass sie sich an der Kühleinrichtung (6), insbesondere am Gehäuse (7a, 7b), abstützt und/oder dass durch sie zumindest die Schal­ tungsanordnung (2) unter Vermeidung eines diskreten mechani­ schen und/oder elektrischen Kontakts mit der Kühleinrichtung (6) federnd lagerbar ist.

17. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel (4) eine chemisch inerte Flüssigkeit, insbesondere mit hoher spezifischer Wärmekapazi­ tät, angepasstem Siedepunkt und/oder hohe Verdampfungsenthal­ pie, oder ein Gemisch derartiger Flüssigkeiten und/oder ent­ sprechender Gase aufweist.

18. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel (4), insbesondere hochrei­ nes, Wasser vorgesehen ist.

19. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Siedekühlung der Hohlraumbereich (3) der Kühleinrichtung (6), insbesondere des Gefäßes (7a, 7b), eine Menge an Wärmeübertragungsmittel (4) enthält, deren Vo­ lumen im nicht gasförmigen Zustand dieser Menge des Wärme­ übertragungsmittels (4) geringer ist als das Volumen des Hohlraumbereichs (3), so dass im Hohlraumbereich ein freies Volumen (5) verbleibt.

20. Schaltungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6), insbesondere das Gefäß (7a, 7b), zumindest auf der vom Wärmeübertragungsmittel (4) abge­ wandten Seite Kühlrippen (9) aufweist.