DE10064194B4 - Leistungshalbleiter-Modul und Kühlkörper zur Aufnahme des Leistungshalbleiter-Moduls - Google Patents

Abstract

Leistungshalbleiter-Modul mit einem Gehäuse (1), das eine Unterseite (10) und eine Oberseite (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite (12) wenigstens ein Federelement (20A, 20B, 20C, 20D) einstückig angeformt ist, das ausgehend von der Oberseite (12) aufragt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiter-Modul und einen Kühlkörper zur Aufnahme eines Leistungshalbleiter-Moduls.
• Es ist bekannt, Leistungshalbleiter-Module, insbesondere solche für elektrische Antriebe, mittels Schrauben oder Klammern an einem Kühlkörper zu befestigen. Die elektronischen Komponenten der Leistungshalbleiter-Module sind dabei von einem Gehäuse umgeben, das üblicherweise aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht und das üblicherweise im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Zur Befestigung des Moduls wird das Gehäuse mittels Schrauben oder Klammern an dem Kühlkörper befestigt. Die durch die jeweilige Befestigungsart hergestellte Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter-Modul und dem Kühlkörper muss dabei so fest sein, dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper hergestellt ist, um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Insbesondere das Befestigen des Gehäuses mittels Schrauben, wodurch ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper realisierbar ist, ist fertigungstechnisch aufwendig und daher kostenintensiv. Die Verwendung von Klammern zur Befestigung des Moduls ermöglicht eine schnelle Montage, führt jedoch zu einer weniger präzisen Verbindung zwischen dem Modul und dem Kühlkörper.
• Die WO 94/29901 A1 beschreibt eine Befestigungsvorrichtung für Halbleiterschaltelemente, bei der die Halbleiterschaltelemente durch Federzungen an den Kühlkörper angedrückt werden.
• Die US 5,990,552 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr von einer Flip-Chip-Anordnung. Ähnlich wie in der Vorrichtung der US 4,878,108 wird dabei der Kühlkörper mit Hilfe einer Klammer an das Gehäuse des Halbleiterbausteins angedrückt.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleiter-Modul zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache Weise an einem dafür vorgesehenen Kühlkörper befestigt werden kann und bei welchem eine gute thermische Verbindung zwischen einem Gehäuse des Leistungshalbleiter-Moduls und dem Kühlkörper gewährleistet ist.
• Dieses Ziel wird durch ein Leistungshalbleiter-Modul gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiter-Modul weist ein Gehäuse mit einer Unterseite und einer Oberseite auf, wobei an der Oberseite wenigstens ein Federelement angeordnet ist, das ausgehend von der Oberseite aufragt.
• Dieses Modul kann in eine Aussparung eines dafür vorgesehenen Kühlkörpers eingesetzt werden, wobei das von der Oberseite des Moduls aufragende Federelement dazu dient, das Modul zwischen einer oberen Fläche und einer unteren Fläche der Aussparung des Kühlkörpers zu verspannen, um dadurch einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Modul und dem Kühlkörper herzustellen.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse des Leistungshalbleiter-Moduls wenigstens zwei Federelemente aufweist, von denen eines im Bereich eines ersten Randes der Oberseite und eines im Bereich eines zweiten Randes der Oberseite angeordnet ist. Ein solches Modul kann in eine T-förmige Nut eines dafür vorgesehenen Kühlkörpers eingesetzt werden, wobei das Modul an den beiderseitigen seitlichen Aussparungen einer solchen T-förmigen Nut mittels der Federelemente gehalten ist. Vorzugsweise sind im Bereich jedes der Ränder zwei Federelemente ausgebildet.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Federelemente einstückig an das Gehäuse anzuformen. Die Federelemente bestehen dann ebenso wie das Gehäuse aus einem thermisch gut leitendem Material, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht zum einen einen besonders guten thermischen Kontakt zwischen den Federelementen und dem übrigen Gehäuse, wodurch auch die Federelemente zur Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse an den Kühlkörper beitragen. Zum anderen ist ein Gehäuse mit einstückig angeformten Federelementen im Spritzgussverfahren herstellbar, so dass für die Herstellung der Federelemente gegenüber der Herstellung des Gehäuses keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich sind.
• Vorzugsweise weist das Gehäuse des Leistungshalbleiter-Moduls im Bereich der Ränder Absätze auf, wodurch eine obere Fläche und zwei tieferliegende untere Flächen der Oberseite gebildet sind. Die Federelemente sind bei dieser Ausführungsform auf den unteren Flächen der Oberseite im Bereich der Ränder angeordnet.
• Um eine Seitenstabilität eines in die Nut eines Kühlkörpers eingesetzten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Moduls zu gewährleisten, sind bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung an Seitenflächen, die sich ausgehend von den Rändern zwischen der Oberseite und der Unterseite des Gehäuses erstrecken, Ansätze vorgesehen, mit welchen das Leistungshalbleiter-Modul an den Kühlkörper anliegen kann. Die Ansätze sind vorzugsweise kalottenförmig ausgebildet.
• Ein erfindungsgemäßer Kühlkörper zur Aufnahme des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Moduls weist vorzugsweise eine T-förmige Nut auf, in welche das Leistungshalbleiter-Modul einsetzbar ist.
• Gemäß einer Ausführungsform sind an einer der Nut abgewandten Oberfläche des Kühlkörpers Kühlrippen ausgebildet, welche die Oberfläche des Kühlkörpers vergrößern und dadurch eine verbesserte Wärmeabgabe an die Umgebung bewirken.
• Der Kühlkörper ist vorzugsweise aus einem Strangpressprofil, beispielsweise aus Aluminium hergestellt.
• Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiter-Modul und ein zugehöriger erfindungsgemäßer Kühlkörper werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
• 1 ein Leistungshalbleiter-Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
• 2 ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiter-Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
• 3 einen erfindungsgemäßen Kühlkörper im Querschnitt,
• 4 ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiter-Modul das in einen erfindungsgemäßen Kühlkörper eingesetzt ist.
• In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
• 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in perspektivischer Ansicht. Das Modul weist ein Gehäuse 1 auf, in dessen Inneren nicht näher dargestellte Leistungshalbleiter-Komponenten, beispielsweise IGBT, Leistungs-MOSFET und gegebenenfalls deren Ansteuerschaltungen ausgebildet sind. Das Gehäuse gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 ist im wesentlichen quaderförmig und weist eine Unterseite 10 und einer der Unterseite 10 gegenüberliegende Oberseite 12 auf. Erfindungsgemäß sind an der Oberseite Federelemente 20A, 20B, 20C, 20D ausgebildet, wobei das Gehäuse 1 des Leistungshalbleiter-Moduls gemäß 1 vier solche Federelemente 20A, 20B, 20C, 20D aufweist, von denen jeweils zwei Federelemente 20A, 20B im Bereich eines ersten Randes 14 der Oberseite 12 und von denen jeweils zwei Federelemente 22A, 22B im Bereich eines zweiten Randes 15 der Oberseite 12 angeordnet sind. Der erste und zweite Rand 14, 15 befinden sich gegenüberliegend an der Oberseite 12.
• Die Federelemente 20A–20D sind in dem Beispiel jeweils als langgestreckte bogenförmige Elemente ausgebildet, die sich in Längsrichtung entlang der Ränder 14, 15 erstrecken und weisen jeweils ein erstes Ende 22A, 22B, 22C, 22D auf, welches mit der Oberseite 12 verbunden ist. Zweite Enden 24A, 24B, 24C, 24D befinden sich durch die bogenförmige Ausgestaltung der Federelemente 20A–20D federnd gelagert oberhalb der Oberseite 12. Die ersten Enden 22A–22D sind dabei jeweils in einer Ecke der Oberseite zwischen jeweils einem der Ränder und einer senkrecht dazu verlaufenden Kante ausgebildet.
• Das Gehäuse 1 des Leistungshalbleiter-Moduls ist dazu ausgebildet, in eine Aussparung oder eine Nut eines Kühlkörpers eingesetzt zu werden, wobei eine untere Fläche dieser Aussparung oder Nut an der Unterseite 10 des Gehäuses 1 angreift und wobei die Federelemente 20A–20D an einer oberen Fläche der Aussparung oder Nut angreifen um das Gehäuse 10 zwischen der unteren Fläche und der oberen Fläche zu verspannen, um auf diese Weise einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Gehäuse 1 und dem Kühlkörper herzustellen.
• Die Federelemente 20A–20D sind vorzugsweise einstückig an das Gehäuse 1 angeformt. Auf diese Weise ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem übrigen Gehäuse und den Federelementen 20A–20D sichergestellt, wodurch auch die Federelemente 20A–20D zur Wärmeabfuhr beitragen. Das Gehäuse 1 besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, mit welchem die Leistungshalbleiter-Komponenten unter Bildung des Gehäuses 1 umspritzt werden, um die Leistungshalbleiter-Komponenten zu schützen und eine ausreichende mechanische Stabilität der Anordnung zu gewährleisten. Um eine Kontaktierung der Leistungshalbleiter-Komponenten in dem Gehäuse 1 zu gewährleisten, sind üblicherweise Aussparungen in dem Gehäuse 1 vorhanden, aus welchen Anschlussstifte herausragen, wobei in 1 beispielhaft lediglich ein solcher Anschlussstift 40 für die im Inneren des Gehäuses 1 befindlichen Leistungshalbleiter-Komponenten dargestellt ist.
• 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiter-Modul, welches sich von dem in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass zu den Rändern 14, 15 der Oberseite hin Absätze ausgebildet sind, wodurch die Oberseite 12 eine höherliegende Fläche 121 zwischen den Absätzen und jeweils tieferliegende Flächen 122, 123 im Bereich der Absätze aufweist. Die Federelemente, von denen in 2 nur die Federelemente 20A, 20B, 20D dargestellt sind, sind dabei auf den tieferliegenden Flächen 122, 123 ausgebildet.
• 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers zur Aufnahme eines Leistungshalbleiter-Moduls gemäß der Ausführungsformen nach den 1 und 2. Der Kühlkörper 200 besteht vorzugsweise aus einem Strangpressprofil und weist eine T-förmige Nut 210 auf, welche durch zwei übereinanderliegende Nuten 214, 212 gebildet sind, von denen die untere Nut 214 breiter als die obere Nut 212 ist, so dass seitliche Rücksprünge 216, 218 gebildet sind. An einer der T-förmigen Nut 210 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 200 sind Aussparungen 220 in den Kühlkörper eingebracht, um Kühlrippen 230 zwischen diesen Aussparungen 220 zu definieren. Die Kühlrippen 230 dienen zur Vergrößerung der Oberfläche des Kühlkörpers 200, woraus eine verbesserte Wärmeabfuhr an die Umgebung resultiert.
• 4 zeigt eine Ausführungsform eines Kühlkörpers 200, in welchen ein Leistungshalbleiter-Modul gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 eingefügt ist. Die durch die Absätze ge bildeten seitlichen Ansätze des Leistungshalbleiter-Moduls 1 mit den darauf angeordneten Federelementen, von denen in 4 nur die Federelemente 20A und 20D dargestellt sind, befinden sich in den Rücksprüngen 216, 218 im unteren Bereich der T-förmigen Nut des Kühlkörpers 200, wobei die Unterseite 10 des Kühlkörpers durch die Federelemente 20A, 20D gegen den Kühlkörper 200 gedrückt wird. Die Federelemente 20A, 20D liegen dazu an Flächen der Rücksprünge 216, 218 an, die der Bodenfläche 230 des Kühlkörpers 200 in den Randbereichen der T-förmigen Nut gegenüberliegen. Die bogenförmige Gestaltung der Federelemente 20A, 20D ermöglicht ein einfaches Einführen des Leistungshalbleiter-Moduls in die T-förmige Nut.
• Um das Leistungshalbleiter-Modul quer zur Einschubrichtung in den Kühlkörperzu stabilisieren sind an Seitenflächen 16, 17, die sich an den Rändern 14, 15 zwischen der Oberseite 12 und der Unterseite 10 des Modulgehäuses 1 erstrecken, Vorsprünge ausgebildet, die vorzugsweise eine kalottenförmige Form besitzen, um einen gute Stabilisierung in Querrichtung zu gewährleisten ohne die Reibung des Leistungshalbleiter-Moduls 1 gegenüber dem Kühlkörper 2 so zu erhöhen, dass aufgrund unvermeidlicher Toleranzen bei der Herstellung des Kühlkörpers, bzw. der Nut 210 in dem Kühlkörper, und des Gehäuses 1 ein Einschieben des Gehäuses 1 in die Nut 210 des Kühlkörpers 200 verhindert würde.
• Der Kühlkörper gemäß 4 weist seitliche Nuten 240, 242 im oberen Bereich der T-förmigen Nut auf, wobei in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine Leiterplatte 300, die durch Kontaktstifte 40 mit Leistungshalbleiter-Komponenten in dem Gehäuse 1 verbunden ist, in diesen seitlichen Nuten 240, 242 aufgenommen ist, wobei die Leiterplatte 300 und die seitlichen Nuten 240, 242 so dimensioniert sind, dass kein Kotakt zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper 200 besteht. Die Leiterplatte 300 ist mittels Stützelementen 310, 320, die in Aussparungen der Leiterplatte 300 eingreifen und die an einem der Leiterplatte 300 gegenüberliegenden Ende auf dem Gehäuse 1 befestigt sind, auf dem Gehäuse 1 abgestützt.
• Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiter-Modul kann durch bloßes Einschieben in eine dafür vorgesehene Nut eines Kühlkörpers auf einfache Weise bei Sicherstellung eines guten thermischen Kontaktes zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper an dem Kühlkörper befestigt werden. Das Leistungshalbleiter-Modul ist ferner durch übliche Verfahrensschritte, bei denen Leistungshalbleiter-Komponenten mit einem thermoplastischen Kunststoff zur Bildung eines Gehäuses umspritzt werden, herstellbar, wobei lediglich eine geeignete Form vorzusehen ist, so dass im Rahmen des Spritzgußverfahrens ein Gehäuse mit den in den 1 und 2 dargestellten Federelementen entsteht.

1

Gehäuse des Leistungshalbleiter-Moduls

10

Unterseite des Gehäuses

12

Oberseite des Gehäuses

14

erster Rand der Oberseite

15

zweiter Rand der Oberseite

16, 17

Seitenfläche

20A, 20B,

20C, 20D

Federelement

22A, 22B,

22C, 22D

erstes Ende der Federelemente

24A, 24B,

24C, 24D

zweites Ende der Federelemente

30, 31

kalottenförmige Ansätze

40

Kontaktstift

121

höherliegende Fläche

122

tieferliegende Fläche

200

Kühlkörper

210

T-förmige Nut

212, 214

Nuten

216, 218

Rücksprünge

220

Vertiefungen

230

Kühlrippen, Bodenfläche der T-förmigen Nut

240, 242

Rücksprünge

300

Leiterplatte

310, 320

Stützen der Leiterplatte

Claims (10)

1. Leistungshalbleiter-Modul mit einem Gehäuse (1), das eine Unterseite (10) und eine Oberseite (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite (12) wenigstens ein Federelement (20A, 20B, 20C, 20D) einstückig angeformt ist, das ausgehend von der Oberseite (12) aufragt.
2. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, das wenigstens zwei Federelemente (20A, 20B, 20C, 20D) aufweist, von denen eines (20A, 20B) im Bereich eines ersten Randes (14) der Oberfläche und eines (20C, 20D) im Bereich eines zweiten Randes (15) der der Oberfläche (12) angeordnet ist.
3. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 2, bei dem zwei Federelemente (20A, 20B) im Bereich des ersten Randes (14) und zwei Federelemente (20C, 20D) im Bereich des zweiten Randes (15) ausgebildet sind.
4. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Federelemente (20A, 20B, 20C, 20D) jeweils bogenförmig mit einem ersten Ende (22A, 22B, 22C, 22D) und einem zweiten Ende (24A, 24B, 24C, 24D) ausgebildet sind, wobei das erste Ende (22A, 22B, 22C, 22D) mit der Oberseite (12) des Gehäuses verbunden ist und wobei das zweite Ende (24A, 24B, 24C, 24D) federnd gelagert beabstandet zu der Oberseite (12) angeordnet ist.
5. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oberseite (12) des Gehäuses im Bereich des ersten und zweiten Randes (14, 16) jeweils eine Stufe aufweist, wobei die Federelemente jeweils auf Oberseiten (121, 123) der Stufen angeordnet sind.
6. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 5, bei dem an wenigstens einer Seitenfläche (16, 17), die sich ausgehend von dem ersten oder zweiten Rand (14, 15) zwischen der Oberseite (12) und der Unterseite (10) erstrecken, vorzugsweise kalottenförmige Ansätze (30) ausgebildet sind.
7. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse (1) aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht.
8. Kühlkörper zur Aufnahme eines Leitungshalbleitermoduls nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine T-förmige Nut (210) aufweist.
9. Kühlkörper nach Anspruch 8, der an einer der Nut (210) abgewandten Oberfläche Kühlrippen (230) aufweist.
10. Kühlkörper nach Anspruch 8, der aus einem Strangpressprofil gebildet ist.