DE10134187A1 - Cooler for power semiconductor components and modules with individual cooling elements in two-dimensional matrix - Google Patents

Cooler for power semiconductor components and modules with individual cooling elements in two-dimensional matrix

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Abstract

The individual cooling elements (3) with structured surface are arranged in lines and columns, with each individual cooling element thermally coupled to the semiconductor module (1). The individual cooling element consists of two parts, a base body (31) facing the semiconductor module, and a finger- or plate-shaped ridge (32) on the base body.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen sowie Halbleitermodulen insbesondere von Halbleitermodulen der Leistungsklasse. Auf Grund der geringen Flächenausdehnung bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit moderner Halbleiterbauelemente ist eine effiziente und über die gesamte Lebensdauer gleichbleibend effiziente Kühlung der Halbleiterbauelemente bzw. von daraus aufgebauten Halbleitermodulen unerlässlich. Eine Verringerung der Kühlleistung geht in den meisten Fällen mit einem Ausfall oder doch zumindest mit einer deutlich verminderten Leistungsfähigkeit der Bauelemente bzw. der Module einher. Aus diesem Grund muss der Kühleinrichtung sowie deren thermischen Anschluss an die zu kühlenden Bauelemente bzw. Module besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. The invention describes a cooling device for cooling semiconductor components and semiconductor modules, in particular semiconductor modules of the performance class. On Because of the small surface area with high current carrying capacity, more modern Semiconductor components are efficient and constant over the entire service life efficient cooling of the semiconductor components or of those built from them Semiconductor modules essential. A reduction in cooling capacity works in most Cases with a failure or at least with a significantly reduced one Performance of the components or modules. For this reason, the Cooling device and its thermal connection to the components to be cooled or Special attention to modules.

Zu kühlende Halbleitermodule sind nach dem Stand der Technik aufgebaut auf keramischen Substraten wie sie beispielsweise nach der US 3,744,120 hergestellt werden. Als Keramiken kommen häufig Aluminiumoxid oder auch Aluminiumnitrid zum Einsatz. According to the prior art, semiconductor modules to be cooled are built on ceramic Substrates such as those produced according to US Pat. No. 3,744,120. As ceramics aluminum oxide or aluminum nitride are often used.

Stand der Technik und seine NachteileState of the art and its disadvantages

Beispiele für moderne Leistungshalbleitermodule mit entsprechend hohen Anforderungen an die dafür benötigten Kühleinrichtungen finden sich beispielhaft in der DE 196 30 173 C1 sowie in der DE 101 27 947 A1. In derartigen Modulen werden moderne Leistungshalbleiterbauelemente wie MOSFETs oder IGBTs (insulated gate bipolar transistor) eingesetzt, die eine Wärmeabgabe in Größenordnung von 500 W/cm2 erzeugen. Für die Abführung derartiger Wärmemengen werden nach dem Stand der Technik Kühleinrichtungen verwendet, die sich in ihrer prinzipiellen Ausführung alle ähneln. Auch die Anordnungen zu dem zu kühlenden Bauelement bzw. dem Modul sind weitgehend identisch. Zur thermischen Ankopplung werden unterschiedliche Verfahren verwendet. Examples of modern power semiconductor modules with correspondingly high demands on the cooling devices required for this purpose can be found, for example, in DE 196 30 173 C1 and in DE 101 27 947 A1. In such modules, modern power semiconductor components such as MOSFETs or IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are used, which generate a heat output in the order of 500 W / cm 2 . For the dissipation of such quantities of heat, cooling devices are used according to the prior art, all of which are similar in their basic design. The arrangements for the component or module to be cooled are largely identical. Different methods are used for thermal coupling.

Eine Kühleinrichtung nach dem aktuellen Stand der Technik, wie er beispielsweise in der DE 198 52 933 A gezeigt ist, besteht aus einem Grundkörper mit daran angeordneten flächig ausgedehnten Kühlrippen. Die bekanntesten einstückigen Ausgestaltungen derartiger Kühleinrichtungen sind Strangpressprofile, wie sie kostengünstig aus Aluminium hergestellt werden können. Bei derartigen Strangpressprofilen können die Kühlrippen mit planer Oberfläche oder mit längs der Kühlrippen parallel zum Grundkörper verlaufenden Strukturen versehen sein. Effizientere Ausgestaltungen des gleichen Grundgedankens sind aus der DE 198 52 933 A bekannt, hierbei werden die Kühlrippen gesondert auf dem Grundkörper befestigt. Dies erlaubt flexiblere Ausgestaltungen der Kühlrippen und damit eine höhere Kühlleistung der Kühleinrichtungen. A cooling device according to the current state of the art, such as in the DE 198 52 933 A is shown, consists of a base body with surface arranged thereon extensive cooling fins. The best known one-piece designs of such Cooling devices are extruded profiles as they are inexpensively made from aluminum can be. In the case of extruded profiles of this type, the cooling fins can be planed Surface or with structures running along the cooling fins parallel to the base body be provided. More efficient refinements of the same basic idea are from the DE 198 52 933 A is known, in this case the cooling fins are separate on the base body attached. This allows more flexible configurations of the cooling fins and thus a higher one Cooling capacity of the cooling devices.

Beispielsweise in der DE 198 06 978 A wird eine weitere Abwandlung des Grundgedankens bekannter Kühleinrichtungen mit einem Grundkörper und darauf angeordneten Kühlelementen vorgestellt. Hierbei sind die Kühlelemente nicht als flächige Kühlrippen, sondern als Wellrippen angeordnet. DE 198 06 978 A, for example, describes a further modification of the basic idea Known cooling devices with a base body and arranged thereon Cooling elements presented. Here, the cooling elements are not flat cooling fins, but arranged as corrugated fins.

Allen dem bisher genannten Stand der Technik zuordenbaren Kühleinrichtungen ist gemeinsam, dass der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul über den flächig ausgedehnten Grundkörper der Kühleinrichtung hergestellt wird. Zur Verbindung werden sowohl stoffbündige als auch stoffschlüssige Verfahren angewandt. All cooling devices that can be assigned to the prior art mentioned above are common that the thermal contact between the cooling device and the cooling component or module over the extensive body of the Cooling device is manufactured. For connection, both flush and integral processes applied.

Zu den stoffschlüssigen Verfahren zählt als das bekannteste das Löten des Grundkörpers auf das zu kühlenden Bauelement bzw. Modul. Die stoffschlüssige Aufbautechnologie weist im wesentlichen zwei Nachteile auf:

  • 1. Großflächige Lötverbindungen wie sie speziell bei Halbleitermodulen notwendig sind, sind technologisch schwer beherrschbar. Eine homogene, lunkerfreie Lötung großer Flächen ist nur mittels aufwendiger Verfahren wie sie beispielhaft in der DE 199 11 887 C1 vorgestellt werden, realisierbar. Wobei auch diese Verfahren bei zunehmender Größe der zu verbindenden Flächen die oben genannten Problemen aufwerfen.
  • 2. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischen Substraten liegt bei Werten von kleiner 8 × 10-6/K. Dem gegenüber steht der thermische Ausdehnungskoeffizient von typischen metallischen Kühleinrichtungen bei 17 bis 26 × 10-6/K. Dies führt skalierend mit der Ausdehnung der stoffschlüssigen Verbindung zu zunehmenden Problemen während des Betriebs, da bei Leistungshalbleitermodulen je nach Anwendung Temperaturänderungen von bis zu 150K auftreten. Diese Temperaturänderungen in Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen über die Lebensdauer eines Bauelements bzw. Moduls zu einer lokalen oder vollständigen Zerstörung der stoffschlüssigen Verbindung. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der übertragbaren Wärmelast. Die hieraus folgende Erhöhung der Temperatur der Halbleiterbauelemente führt zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit oder zum vorzeitigen Ausfall.
The best-known method among the integral methods is the soldering of the base body onto the component or module to be cooled. The integral construction technology essentially has two disadvantages:
  • 1. Large-area soldered connections, as are necessary especially with semiconductor modules, are technologically difficult to master. A homogeneous, void-free soldering of large areas can only be achieved by means of complex processes as exemplified in DE 199 11 887 C1. These methods also raise the problems mentioned above with increasing size of the areas to be connected.
  • 2. The thermal expansion coefficient of ceramic substrates is less than 8 × 10 -6 / K. This contrasts with the thermal expansion coefficient of typical metallic cooling devices at 17 to 26 × 10 -6 / K. Scaling with the expansion of the integral connection leads to increasing problems during operation, since temperature changes of up to 150K occur in power semiconductor modules, depending on the application. These temperature changes in conjunction with the different coefficients of thermal expansion lead to local or complete destruction of the integral connection over the life of a component or module. This in turn leads to a reduction in the transferable heat load. The consequent increase in the temperature of the semiconductor components leads to reduced performance or to premature failure.

Zu den stoffbündigen Verfahren zählt beispielhaft die Druckkontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls mit der Kühleinrichtung, wie sie in der EP 0 597 254 B1 beschrieben ist. Hierbei wird das Halbleitermodul mittels einer Druckeinrichtung auf den Grundkörper der Kühleinrichtung gedrückt. Um einen über die Kontaktfläche homogenen Wärmeübergang zu gewährleisten, wird zwischen die Keramik des Moduls und den Grundkörper des Kühlelements ein wärmeleitendes pastöses oder elastisches Medium eingebracht. Nachteilig an dieser Aufbautechnologie ist der Wärmewiderstand dieses wärmeleitenden Mediums. Derartige Schichten tragen zu mehr als 50% zum Wärmewiderstand der Gesamtanordnung aus Halbleitermodul und Kühleinrichtung bei. One of the flush-fitting processes is pressure contacting Power semiconductor module with the cooling device, as described in EP 0 597 254 B1 is described. Here, the semiconductor module is applied to the by means of a printing device Main body of the cooling device pressed. To be homogeneous across the contact surface To ensure heat transfer is between the ceramic of the module and the Base body of the cooling element is a heat-conducting pasty or elastic medium brought in. The thermal resistance of this construction technology is disadvantageous heat-conducting medium. Such layers contribute more than 50% Thermal resistance of the overall arrangement of semiconductor module and cooling device.

Für Halbleitermodule ist eine weitere Ausgestaltung von Kühleinrichtungen beispielsweise aus der DE 198 53 750 A1 bekannt. Hierbei ist die Kühleinrichtung in ein Substrat, das als Basis eines Halbleitermoduls dient, integriert. Es entfällt somit die zusätzliche thermische Ankopplung durch den integrierten Aufbau des Moduls und der Kühleinrichtung. Nachteilig an dieser Ausgestaltung sind einerseits die hohen Kosten für deren Herstellung sowie andererseits die räumliche Gestalt der in das Substrat integrierten Kühleinrichtung. Diese erfordert einen wesentlich aufwendigeren Fertigungsprozess, da derartige Substrate mit integrierter Kühleinrichtung nicht auf Standardmaschinen verarbeitet werden können. Derartige Standardmaschinen sind auf die Fertigung von Halbleitermodulen ausgelegt, bei denen ein nachträgliches Anbringen der Kühleinrichtung vorgesehen ist. A further embodiment of cooling devices is, for example, for semiconductor modules known from DE 198 53 750 A1. Here, the cooling device is in a substrate that as Serves the basis of a semiconductor module, integrated. This eliminates the additional thermal Coupling through the integrated structure of the module and the cooling device. adversely this configuration includes the high costs for their manufacture and on the other hand, the spatial shape of the cooling device integrated in the substrate. This requires a much more complex manufacturing process because such substrates integrated cooling device cannot be processed on standard machines. Such standard machines are designed for the production of semiconductor modules, at which a subsequent attachment of the cooling device is provided.

Aufgabetask

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kühleinrichtung zur Verwendung verschiedener Kühlmedien vorzustellen, die eine effiziente Kühlung von einzelnen Halbleiterbauelementen oder von Halbleiterbauelementen sowie anderen Bauelementen als Bestandteilen von Halbleitermodulen gewährleistet, wobei stoffschlüssige wie auch stoffbündige Verbindungstechniken eingesetzt werden können, wobei auf großflächige stoffschlüssige Verbindungen verzichtet werden kann. The present invention has for its object to use a cooling device of different cooling media to introduce the efficient cooling of individual Semiconductor components or of semiconductor components and components other than Components of semiconductor modules guaranteed, cohesive as well Flush connection techniques can be used, with large areas integral connections can be dispensed with.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt. The object is achieved by the measures of claim 1. Further advantageous Refinements are mentioned in the subclaims.

Der Grundgedanke der Erfindung ist, bei einer Kühleinrichtung auf einen gemeinsamen großflächigen Grundkörper, auf dem mehrere Kühlelemente angeordnet sind und der räumlich zwischen dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul und den einzelnen Kühlelementen angeordnet ist, zu verzichten. The basic idea of the invention is in a cooling device to a common large-area base body on which several cooling elements are arranged and the spatially between the component or module to be cooled and the individual Cooling elements is arranged to dispense.

Die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement oder Halbleitermodul erfolgt über einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem Grundkörper und einer fingerartigen Fortsetzung bestehen, wobei der Grundkörper keine größere laterale Ausdehnung als die fingerartige Fortsetzung aufweisen muss. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Falls es durch die Verwendung eines beispielsweise flüssigen Kühlmediums oder die Aufbautechnologie gefordert ist, können alle oder nur Gruppen von einzelnen Kühlelementen mit jeweils einem weiteren Teilkörper, der sich auf der dem zu kühlenden Bauelement oder Modul abgewandten Seiten der Kühlelemente befindet, verbunden sein. Die nicht dem zu kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelementen können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen aufweisen. The heat dissipation from a semiconductor component or semiconductor module takes place via individual cooling elements, which in turn consist of a base body and a finger-like Continued, with the main body no greater lateral extent than that must have finger-like continuation. These individual cooling elements are matrix-like in Rows and columns arranged on the surface to be cooled. If it is through the Use of a liquid cooling medium, for example, or the construction technology is required, all or only groups of individual cooling elements with one each another sub-body, which is on the component or module to be cooled opposite sides of the cooling elements is connected. Not for that cooling component or module facing surfaces of the individual cooling elements can be smooth or textured surfaces for better heat dissipation exhibit.

Ausführungsbeispiel/eEmbodiment / e

Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der Fig. 1 bis 5 erläutert. Special configurations of the inventive solutions are explained with reference to FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener Kühleinrichtung nach dem Stand der Technik. Fig. 1 shows a semiconductor module with a cohesively connected cooling device according to the prior art.

Fig. 2 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt runden Kühlelementen. FIG. 2 shows a semiconductor module with an inventive, integrally connected cooling device formed from cooling elements that are round in cross section.

Fig. 3 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt eckigen Kühlelementen. Fig. 3 shows a semiconductor module with cohesively connected inventive cooling device formed of square in cross-section cooling elements.

Fig. 4 zeigt verschiedene Ausgestaltungsformen der erfinderischen Kühlelemente. Fig. 4 shows various embodiments of the inventive cooling elements.

Fig. 5 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung. FIG. 5 shows a semiconductor module with a cooling device according to the invention that is integrally connected.

Fig. 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem keramischen Substrat 10 mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen 11 sowie auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneter vollflächigen Metallkaschierung 12. Derartig metallkaschierte Substrate 1 sind beispielsweise als DCB- (direct copper bonding) Substrate bekannt. Auf der metallkaschierten Fläche 11 befinden sich löttechnisch 13 aufgebrachte Bauelemente 14, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Leistungsdioden, Widerstände oder Sensoren. Einige dieser Bauelemente sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehende Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer großflächigen Lötverbindung 20 auf das Kühlelement 200 abgeleitet. Das Kühlelement besteht nach dem Stand der Technik aus einem der DCB zugewandten Grundkörper 220 sowie darauf angeordneten flächigen Kühlrippen 210. Gleichfalls dem Stand der Technik entspricht ein stoffbündiger Anschluss des Kühlelements 200 mittels eines druckkontaktierten Aufbaus, wobei die DCB zur thermischen Verbindung auf das Kühlelement gedrückt wird und anstelle der Lötverbindung 20 eine geeignete Wärmeleitpaste eingebracht ist. Fig. 1 shows a power semiconductor module comprising a housing, not shown, connection elements and also not shown a ceramic substrate 10 having disposed on the first main surface metal clad and structured surfaces 11 and arranged on its second main face full-area metal coating 12th Such metal-clad substrates 1 are known, for example, as DCB (direct copper bonding) substrates. Components 14 , such as power transistors, power diodes, resistors or sensors, which are applied by soldering technology 13 are located on the metal-clad surface 11 . Some of these components are connected to further metal-clad surfaces by means of bond connections 15 . The heat generated in the components 14 is largely released to the DCB 1 via the solder 13 . From there, the heat is dissipated to the cooling element 200 by means of a large-area solder connection 20 . According to the prior art, the cooling element consists of a base body 220 facing the DCB and flat cooling fins 210 arranged thereon. Likewise, the prior art corresponds to a flush connection of the cooling element 200 by means of a pressure-contacted structure, the DCB being pressed onto the cooling element for the thermal connection and a suitable thermal paste being introduced instead of the soldered connection 20 .

Fig. 2 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche der DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen angeordnet. Als stoffschlüssige Verbindungen eignen sich für diese Anordnung alle nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen. Fig. 2 shows in a three-dimensional representation of the view of the second major surface of DCB. 1 The inventive cooling device 4 consisting of individual cooling elements is arranged on the metallic lamination 12 of the ceramic substrate 10 . Suitable material connections for this arrangement are all methods known from the prior art, such as soldering, gluing or welding.

Die einzelnen Kühlelemente sind matrixartig, das heißt in Reihen und Spalten mit jeweils gleichem Abstand der einzelnen Kühlelemente zueinander angeordnet. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem zylinderförmigen Grundkörper 31 mit einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32, welche sich zur von der DCB 1 abgewandten Seite des Kühlelements 3 hin verjüngt. The individual cooling elements are matrix-like, that is to say arranged in rows and columns with the same distance between the individual cooling elements. Each cooling element 3 of the cooling device 4 in turn consists of a cylindrical base body 31 with a truncated cone-shaped elevation 32 , which tapers towards the side of the cooling element 3 facing away from the DCB 1 .

Fig. 3 zeigt ebenfalls in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche der DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen 3 stoffschlüssig aufgebracht. FIG. 3 also shows a view of the second main surface of the DCB 1 in a three-dimensional representation. The inventive cooling device 4 consisting of individual cooling elements 3 is integrally applied to the metallic lamination 12 of the ceramic substrate 10 .

Die einzelnen Kühlelemente 3 sind matrixartig, in Gruppen mit unterschiedlichem Abstand der Gruppen zueinander sowie in den Gruppen mit unterschiedlichen Abständen der Kühlelemente 3 zueinander angeordnet. Es erweist sich als vorteilhaft Gruppen an denjenigen Stellen der DCB 1 zu bilden, an denen die größte Wärmelast abgeführt werden muss. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem quaderförmigen Grundkörper 31 mit einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der Grundkörper 31. Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung in Gruppen einzelner Kühlelemente können, um den unterschiedlichen abzuführenden Wärmelasten gerecht zu werden, Kühlelement unterschiedlicher Form, Größe oder Oberflächengestaltung in einer Kühleinrichtung verwendet werden. The individual cooling elements 3 are arranged in a matrix, in groups with different distances between the groups and in the groups with different distances between the cooling elements 3 . It has proven to be advantageous to form groups at those points of the DCB 1 where the greatest heat load has to be dissipated. Each cooling element 3 of the cooling device 4 in turn consists of a cuboid base 31 with a likewise cuboid elevation 32 with a smaller base than the base 31 . As an alternative or in addition to the arrangement in groups of individual cooling elements, in order to do justice to the different heat loads to be dissipated, cooling elements of different shape, size or surface design can be used in a cooling device.

Fig. 4 zeigt einige verschiedene Ausgestaltungen der erfinderischen Kühlelemente 3. Fig. 4a) zeigt ein einzelnes Kühlelement aus der Fig. 2 mit einem zylindrischen Grundkörper 31 und einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32. Fig. 4b) zeigt ein einzelnes Kühlelement, ähnlich Fig. 3, mit einem quaderförmigen Grundkörper 31 und einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der zugehörige Grundkörper. Fig. 4c) zeigt ein zylindrisches Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4d) zeigt ein quaderförmiges Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4e) zeigt ein Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 quaderförmig sowie die Erhebung 32 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Fig. 4f) zeigt ein Kühlelement mit zylindrischem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls zylindrischen Erhebung 32, deren Oberfläche zur besseren Wärmeableitung wellenförmig strukturiert ist. Fig. 4g) zeigt ein Kühlelement mit quaderförmigem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit jeweils gleichen Grundflächen, wobei die nicht zum thermischem Kontakt mir der DCB 1 benötigten Oberflächen zur besseren Wärmeableitung sägezahnartig strukturiert sind. Fig. 4h) zeigt ein Kühlelement 3 als Teil einer erfinderischen Kühleinrichtung 4 mit einem quaderförmigen Grundkörper und mehr als einer, hier drei kegelstumpfförmigen Erhebungen 32. Fig. 4 shows some different embodiments of the inventive cooling elements 3. FIG. 4a) shows a single cooling element from FIG. 2 with a cylindrical body 31 and a frusto-conical projection 32. FIG. 4b) shows an individual cooling element, similar to FIG. 3, with a cuboid base 31 and a likewise cuboid elevation 32 with a smaller base area than the associated base body. Fig. 4c) shows a cylindrical cooling element, in which the base body 31 and that the data have 32 identical bases. Fig. 4d) shows a block-shaped cooling element, in which the base body 31 and that the data have 32 identical bases. Fig. 4e) is a cooling element, in which the base body and that the data is frusto-conical shape 32 cuboidal 31st Fig. 4f) shows a cooling element with a cylindrical base body 31 and a likewise cylindrical projection 32 whose surface is patterned undulated for better heat dissipation. Fig. 4g) shows a cooling element with cuboid base body 31 and a likewise block-shaped projection 32 with equal base areas, wherein the mine are not the DCB structured surfaces 1 required for better heat dissipation to the sawtooth thermal contact. Fig. 4h) is a cooling element 3 as a part of an inventive cooling device 4 with a cuboid base unit and more than one truncated cone-shaped, here three hills 32.

Die einzelnen Kühlelemente 3 der Kühleinrichtung 4 können jeweils einstückig aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Falls es technisch erforderlich ist, kann der Grundkörper 31 eines Kühlelements 3 aus einem anderen Werkstoff als die zugehörige Erhebung 32 bestehen. The individual cooling elements 3 of the cooling device 4 can each consist in one piece of a good heat-conducting material such as aluminum or an aluminum alloy. If it is technically necessary, the base body 31 of a cooling element 3 can be made of a different material than the associated elevation 32 .

Fig. 5 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem DCB- Substrat 1, wobei sich auf der metallkaschierten Fläche 11 löttechnisch 13 aufgebrachte Bauelemente 14 befinden. Einige dieser Bauelemente 14 sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehenden Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer stoffschlüssig, beispielhaft mittels Lot 20, mit der DCB 1 verbundenen erfinderischen Kühleinrichtung 4 an ein Kühlmedium abgegeben. Eine Mehrzahl von einzelnen Kühlelementen 3 sind hier mittels eines weiteren Teilkörpers 33 mit der Kühleinrichtung 4 verbunden. Dies kann technisch erforderlich sein, wenn

  • - als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet wird und durch den Teilkörper 33 ein geschlossener Kühlmittelkreislauf erreicht werden kann; und/oder
  • - als Verbindung zwischen der DCB 1 und dem Kühlelement 4 eine Druckkontaktierung verwendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft das Kühlelement 4 in größeren Einheiten von Kühlelementen 3 mit der DCB 1 zu verbinden. In diesem Fall würde das Lot 20 durch ein wärmeleitendes Medium ersetzt werden können.
Fig. 5 shows a power semiconductor module comprising a housing, not shown, connection elements and also not shown a DCB substrate 1, being located on the metal clad surface 11 löttechnisch 13 applied components 14. Some of these components 14 are connected to further metal-clad surfaces by means of bond connections 15 . The heat generated in the components 14 is largely released to the DCB 1 via the solder 13 . From there, the heat is given off to a cooling medium by means of a material connection, for example by means of solder 20 , connected to the DCB 1 , inventive cooling device 4 . A plurality of individual cooling elements 3 are connected to the cooling device 4 here by means of a further partial body 33 . This may be technically necessary if
  • a liquid is used as the cooling medium and a closed coolant circuit can be achieved through the partial body 33 ; and or
  • - A pressure contact is used as a connection between the DCB 1 and the cooling element 4 . It is advantageous here to connect the cooling element 4 to the DCB 1 in larger units of cooling elements 3 . In this case, the solder 20 could be replaced by a thermally conductive medium.

Die vorgestellte erfinderische Kühleinrichtung 4 weist gegenüber Kühleinrichtungen nach dem Stand der Technik folgende Vorteile auf: The inventive cooling device 4 has the following advantages over cooling devices according to the prior art:

Bei stoffschlüssigen Verbindungen sind nur kleinflächige Verbindungsflächen vorhanden. Daher werden die Auswirkungen thermischer Ausdehnungseffekte vermindert oder vollständig verhindert. In the case of integral connections, there are only small-area connection surfaces. Therefore, the effects of thermal expansion effects are reduced or completely prevented.

Bei stoffbündigen sowie stoffschlüssigen Verbindungen wird die Wärme dezidiert an den Stellen abgeleitet, an denen sie auftritt. In the case of flush-fitting and cohesive connections, the heat is dedicated to the Derived places where it occurs.

Es können beliebige gasförmige oder flüssige Kühlmedien verwendet werden. Any gaseous or liquid cooling media can be used.

Claims (11)

1. Kühleinrichtung 4 für Halbleitermodule wobei die Kühleinrichtung aus zweidimensional, matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordneten Einzelkühlelementen 3 besteht wobei jedes Einzelkühlelement thermisch mit dem zu kühlenden Halbleitermodul 1 verbunden ist. 1. Cooling device 4 for semiconductor modules, wherein the cooling device consists of two-dimensional, matrix-like arranged in at least two rows and at least two columns arranged individual cooling elements 3 , each individual cooling element being thermally connected to the semiconductor module 1 to be cooled. 2. Kühleinrichtung 4 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelkühlelement 3 aus zwei Teilkörpern einem dem zu kühlenden Halbleitermodul zugewandten Grundkörper 31 und einer auf diesem Grundkörper angeordneten finger- oder plattenartigen Erhebung 32 besteht. 2. Cooling device 4 according to claim 1, characterized in that a single cooling element 3 consists of two partial bodies, a base body 31 facing the semiconductor module to be cooled, and a finger or plate-like elevation 32 arranged on this base body. 3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Einzelkühlelement 3 zumindest teilweise strukturiert ausgeführt sind. 3. Cooling device according to claim 1, characterized in that the surfaces of the individual cooling element 3 are at least partially structured. 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper 31 sowie die fingerartige Erhebung 32 des Einzelkühlelement 3 eine runden oder eckigen Querschnitt aufweist. 4. Cooling device according to claim 1 and 2, characterized in that the base body 31 and the finger-like elevation 32 of the individual cooling element 3 has a round or angular cross section. 5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 auf Grund der abzuführenden Wärmemengen unterschiedliche Ausgestaltungen hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen sowohl in der Länge der Breite bzw. des Durchmessers als auch hinsichtlich der Höhe sowohl der Grundkörper 31 als auch der fingerartigen Erhebungen 32 aufweisen. 5. Cooling device according to claim 1 to 4, characterized in that the individual cooling element 3 forming a cooling device 4, due to the amounts of heat to be dissipated, different configurations with regard to their geometric dimensions both in the length, the width or the diameter and in terms of the height of both the base body 31 as well as the finger-like elevations 32 . 6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper 31 und/oder die fingerartigen Erhebungen 32 eines Einzelkühlelements 3 sich in Richtung ihres dem Halbleitermodul 1 abgewandten Endes hin verjüngen. 6. Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the base body 31 and / or the finger-like elevations 32 of an individual cooling element 3 taper in the direction of their end facing away from the semiconductor module 1 . 7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens jeweils zwei der Einzelkühlelemente 3 auf ihrer dem Halbleitermodul 1 abgewandten Seite mittels eines weiteren Teilkörpers 33 verbunden sind. 7. Cooling device according to claim 1, characterized in that at least two of the individual cooling elements 3 are connected on their side facing away from the semiconductor module 1 by means of a further partial body 33 . 8. Kühleinrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörpern der Einzelkühlelement 3 einstückig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt sind. 8. Cooling device according to claim 2 or 6, characterized in that the partial bodies of the individual cooling element 3 are made in one piece from aluminum or an aluminum alloy. 9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 und dem Halbleitermodul stoffschlüssig mittels löten, kleben oder schweißen ausgeführt ist. 9. Cooling device according to claim 1, characterized in that the contact points between the individual cooling element 3 forming the cooling device 4 and the semiconductor module are made integrally by means of soldering, gluing or welding. 10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 und dem Halbleitermodul stoffbündig mittels einer das Halbleitermodul mit der Kühleinrichtung 4 verbindenden Druckeinrichtung ausgeführt ist. 10. Cooling device according to claim 1, characterized in that the contact points between the individual cooling element 3 forming the cooling device 4 and the semiconductor module are made flush by means of a printing device connecting the semiconductor module to the cooling device 4 . 11. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium gasförmige oder flüssige Stoffe verwendet werden können. 11. Cooling device according to claim 1, characterized in that gaseous or liquid substances can be used as the cooling medium.
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