DE102006008807B4 - Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlbauteil - Google Patents

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Abstract

Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul (10) und einem Kühlbauteil (14), wobei das Leistungshalbleitermodul (10) mindestens ein Substrat (16), mindestens ein auf diesem angeordnetes steuerbares Leistungshalbleiter-Bauelement (26), ein rahmenartiges Gehäuse (36), und auf der vom Kühlbauteil (14) abgewandten Seite nach außen führende Anschlusselemente (30) aufweist, wobei das rahmenartige Gehäuse (36) zumindest teilweise mit einem Isolierstoff (50) verfüllt ist, und das Leistungshalbleitermodul (10) mittels eines Kunststoff-Druckkörpers (56) mit dem Kühlbauteil (14) druckkontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das rahmenartige Gehäuse (36) einen nach innen gerichteten Bund (38) aufweist, der mit Durchgangslöchern (40) ausgebildet ist, durch die sich die Anschlusselemente (30) für die Last- und Hilfskontakte hindurch erstrecken.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der DE 103 16 355 B3 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem das plättchenförmige Substrat an einer Grundplatte vorgesehen ist. Von dem Außenrandabschnitt der Grundplatte steht ein Gehäuserahmen weg. An der von der Grundplatte abgewandten Stirnfläche des Gehäuserahmens ist ein Deckel mit einer Leiterplatte angebracht. Zwischen der Leiterplatte und der an der zweiten Hauptfläche des plattenförmigen Substrates vorgesehenen Leiterbahnstruktur sind Federkontakte vorgesehen.
  • Aus der US 4 574 162 A ist eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul bekannt, das ein Substrat aufweist, auf dem Leistungshalbleiter-Bauelemente angeordnet sind. Am Substrat ist ein Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse bildet gleichzeitig einen Druckkörper, mittels welchem das Substrat gegen ein Kühlbauteil gedrückt wird.
  • Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist aus der DE 103 26 176 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung erstrecken sich die Anschlusselemente nur durch Löcher hindurch, die im Druckkörper ausgebildet sind. Beim Zusammenbau der Anordnung, d. h. bei der Montage des Druckkörpers am rahmenartigen Gehäuse ist folglich sehr genau darauf zu achten, dass der Druckkörper mit seinen Löchern in Bezug zu den vom Substrat wegstehenden Anschlusselementen genau richtig positioniert ist.
  • Aus der DE 101 49 886 A1 ist eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul bekannt, das ein Substrat aufweist, auf dem Leistungshalbleiter-Bauelemente vorgesehen sind. Diese Anordnung ist ähnlich ausgebildet, wie die oben beschriebene Anordnung gemäß der DE 103 26 176 A1 , wobei jedoch bezüglich der Anschlusselemente des Leistungshalbleitermoduls keine Ausführungen gemacht werden.
  • Die DE 101 39 287 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit Leistungshalbleiter-Bauelementen, die auf einer Grundplatte angeordnet sind. Dieses Leistungshalbleitermodul weist einen Isolierrahmen und ein Substrat auf, das zwischen der Grundplatte und einem Kühlbauteil angeordnet ist. Der Isolierrahmen umschließt das Leistungshalbleitermodul und ist zur Befestigung auf dem Kühlbauteil vorgesehen.
  • Ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, auf dem Leistungshalbleiter-Bauelemente angeordnet sind, und mit einem Gehäuse, das gleichzeitig einen Druckkörper bildet, mittels welchem das Substrat an einem Kühlbauteil befestigbar ist, ist aus der GB 2 238 167 A bekannt. Das Gehäuse ist mit Durchgangslöchern ausgebildet, durch die sich Anschlusselemente des Leistungshalbleitermoduls hindurch erstrecken. Bezüglich des Positionieraufwandes der Anschlusselemente in Bezug zu den Durchgangslöchern gilt das oben gesagte entsprechend.
  • Die DE 35 08 456 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat, auf dem Leistungshalbleiter-Bauelemente vorgesehen sind. Das Leistungshalbleitermodul weist ein Gehäuse auf, in welchem Justierschrauben angeordnet sind, die auf das Substrat und auf die Leistungshalbleiter-Bauelemente drücken, um einer Wölbung des Substrates entgegenzuwirken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach und kompakt aufgebaut ist, wobei die Anschlusselemente durch das rahmenartige Gehäuse positioniert geführt werden, so dass der Zusammenbau der Anordnung preisgünstig realisierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Dadurch, dass erfindungsgemäß der Gehäuserahmen vom Außenrandabschnitt der zweiten Hauptfläche des Substrates – und nicht von einer eigenen Grundplatte – weg steht, ergibt sich ein einfacherer und gleichzeitig kompakterer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei durch das den vom Gehäuserahmen umschlossenen Innenraum zumindest größtenteils ausfüllende erstarrte Isoliermaterial optimale Isolationseigenschaften erreicht werden. Bei den Anschlusselementen für die Last- und Hilfskontakte handelt es sich in vorteilhafter Weise um formstabile steife dünne Stifte, deren Anschaffungskosten im Vergleich zu Federkontakten gering sind und deren Handhabung bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls vergleichsweise einfach ist.
  • Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlbauteil bestehen in ihren relativ geringen Spannungsverlusten und optimalen Schalteigenschaften. Die erfindungsgemäße Anordnung findet beispielsweise als IGBT-Inverter und/oder -Konverter Anwendung.
  • Das plättchenförmige Substrat kann eine mindestens annähernd quadratische Grundfläche und der Gehäuserahmen kann daran angepasste Grundflächenabmessungen aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das plättchenförmige Substrat eine rechteckige Grundfläche und der Gehäuserahmen daran angepasste Grundflächenabmessungen aufweist.
  • Erfindungsgemäß weist der Gehäuserahmen einen nach innen gerichteten Bund auf, der mit Durchgangslöchern ausgebildet ist, durch die sich die Anschlusselemente für die Last- und Hilfskontakte hindurch erstrecken. Dabei kann der Bund des Gehäuserahmens umlaufend oder mit Unterbrechungen ausgebildet sein. Der Bund kann sich in Höhenrichtung des Gehäuserahmens auf einer beliebigen Höhe befinden. Zweckmässig kann es jedoch sein, wenn der nach innen gerichtete Bund an dem vom plättchenförmigen Substrat abgewandten Außenrand des Gehäuserahmens ausgebildet ist.
  • Bevorzugt ist es, wenn der Gehäuserahmen an seiner vom plättchenförmigen Substrat abgewandten Stirnfläche mit Abstandselementen für eine Leiterplatte ausgebildet ist, die gleich lang oder kürzer sind als die aus dem Gehäuserahmen vorstehenden Kontaktabschnitte der Anschlusselemente für die Last- und Hilfskontakte. Auf den Abstandselementen kann die genannte Leiterplatte angeordnet werden, wobei sich die aus dem Gehäuserahmen vorstehenden Kontaktabschnitte der Anschlusselemente für die Last- und Hilfskontakte in Durchgangslöcher der Leiterplatte hinein oder durch diese hindurch erstrecken können und mit der Schaltungsstruktur der Leiterplatte beispielsweise durch eine Verlötung kontaktiert werden können. Diese Verlötung kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Lötbades erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, die Leiterplatte ohne Durchgangslöcher auszubilden, wenn die Abstandselemente des Gehäuserahmens und der Kontaktabschnitt der Anschlusselement gleich lang sind.
  • Die Abstandselemente für die Leiterplatte sind vorzugsweise an den Ecken des Gehäuserahmens ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, dass das plättchenförmige Substrat mit seiner wärmeableitenden Metallschicht mittels einer Wärmeleitkleberschicht mit dem Kühlbauteil verbunden ist. Dabei kommt beispielsweise ein Wärmeleit-Kleber mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 2,2 W/mK zur Anwendung.
  • Bevorzugt ist es, wenn das plättchenförmige Substrat mit seiner wärmeableitenden Metallschicht mittels des Druckkörpers gegen das Kühlbauteil gepresst ist, wobei der Druckkörper an der vom plättchenförmigen Substrat abgewandten Stirnfläche des Gehäuserahmens anliegt und auf gegenüberliegenden Seiten Ansätze aufweist, die mit Durchgangslöchern für Befestigungselemente ausgebildet sind, mittels welchen der Druckkörper und mit diesem das Leistungshalbleitermodul an dem Kühlbauteil befestigt ist. Bei den besagten Befestigungselementen kann es sich um Gewindestifte bzw. Schrauben handeln, die in Gewindebohrungen einschraubbar sind, die im Kühlbauteil ausgebildet sind.
  • Der Druckkörper kann mit Durchgangslöchern für Last- und Hilfs-Kontakt-Anschlusselemente ausgebildet sein.
  • Desgleichen ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Leistungshalbleitermodul und dem Kühlbauteil mit einem Miniatur-Ventilator zu einem gekühlten Modulsystem kombiniert ist.
  • Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung vergrössert und nicht maßstabsgetreu verdeutlichten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls – in Kombination mit einem abschnittweise gezeichneten Kühlbauteil bzw. Kühlkörper und einer ebenfalls nur abschnittweise verdeutlichten Leiterplatte.
  • Es zeigen:
  • 1 eine nicht zur Erfindung gehörende Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul in einer Längsschnittdarstellung in Kombination mit einer abschnittweise gezeichneten Leiterplatte und einem abschnittweise gezeichneten Kühlkörper, an dem das Leistungshalbleitermodul mit Hilfe einer Wärmeleitkleberschicht befestigt ist,
  • 2 eine der 1 prinzipiell ähnliche erfindungsgemäß bevorzugte Ausbildung der Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul in Kombination mit einer abschnittweise gezeichneten Leiterplatte und einem abschnittweise gezeichneten Kühlkörper, an dem das Leistungshalbleitermodul mit Hilfe eines Druckkörpers wärmableitend verbunden ist, und
  • 3 eine Ansicht des Leistungshalbleitermoduls mit dem Druckkörper in Blickrichtung der Pfeile III-III in 2.
  • 1 zeigt längsgeschnitten eine Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls 10 in Kombination mit einer abschnittweise gezeichneten Leiterplatte 12 und einem abschnittweise gezeichneten Kühlkörper 14.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 weist ein plättchenförmiges Substrat 16 auf. Das plättchenförmige Substrat 16 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumoxid-Keramik. Das plättchenförmige Substrat 16 weist eine erste Hauptfläche 18 und eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche 20 auf. An der ersten Hauptfläche 18 ist eine Metallschicht 22 vorgesehen. Die zweite Hauptfläche 20 ist mit einer Leiterbahnstruktur 24 ausgebildet. Die Metallschicht 22 und die Leiterbahnstruktur 24 sind beispielsweise von Kupferschichten oder von dünnen Kupferfolien oder dergleichen gebildet.
  • Die Leiterbahnstruktur 24 dient zur Verschaltung von Leistungshalbleiter-Bauelementen 26. Diese Verschaltung erfolgt beispielsweise durch Bonddrähte 28.
  • Anschlusselemente 30, die als formstabile, steife Stifte 32 ausgebildet sind, dienen zur elektrischen Verbindung des Leistungshalbleitermoduls 10 mit der Leiterplatte 12. Die Anschlusselemente 30 sind für Last- und Hilfskontakte des Leistungshalbleitermoduls 10 vorgesehen.
  • Vom Außenrandabschnitt 34 der zweiten Hauptfläche 20 des plättchenförmigen Substrates 16 steht ein Gehäuserahmen 36 weg, der mit einem nach innen gerichteten Bund 38 ausgebildet ist. Der Bund 38 besitzt Durchgangslöcher 40, durch die sich die Anschlusselemente 30 für die Last- und Hilfskontakte hindurch erstrecken. Die Anschlusselemente 30 für die Last- und Hilfskontakte stehen mit Kontaktabschnitten 42 aus dem Gehäuserahmen 36 vor, d. h. über den ununterbrochen oder unterbrochen umlaufenden Bund 38 des Gehäuserahmens 36 über. Der Gehäuserahmen 36 ist an seiner vom plättchenförmigen Substrat 16 abgewandten Stirnfläche 44 mit Abstandselementen 46 ausgebildet, an welchen die Leiterplatte 12 anliegt. Die Abstandselemente 46 sind bei der Ausbildung gemäß 1 kürzer als die aus dem Gehäuserahmen 32 vorstehenden Kontaktabschnitte 42 der Anschlusselemente 30 für die Last- und Hilfskontakte, so dass sich im zusammengebauten Zustand die Kontaktabschnitte 42 durch die Leiterplatte 12 hindurch erstrecken. Bei der Ausbildung gemäß 2 sind die Abstandselemente 46 des Gehäuserahmens 32 und der aus diesem vorstehenden Kontaktabschnitte 42 der Anschlusselemente 30 gleich lang.
  • Der vom Gehäuserahmen 36 umschlossene Innenraum 48 ist zumindest größtenteils mit einem erstarrten Isoliermaterial 50 ausgefüllt, so dass sich eine gute Isolation des Leistungshalbleitermoduls 10 ergibt.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, sind die Abstandselemente 46 für die Leiterplatte 12 (sh. 1) an den Ecken 52 des Gehäuserahmens 36 ausgebildet.
  • Gemäß 1 ist das Leistungshalbleitermodul 10 mit dem Kühlkörper 14 mittels einer Wärmeleitkleberschicht 54 grossflächig verbunden. Die Wärmeleitkleberschicht 54 ist zwischen der Metallschicht 22 und dem Kühlkörper 14 vorgesehen, um die Verlustwärme des Leistungshalbleitermoduls 10 zum Kühlkörper 14 abzuführen.
  • 2 verdeutlicht in einer Längsschnittdarstellung eine der 1 ähnliche Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls 10 in Kombination mit einem Druckkörper 56, der an gegenüberliegenden Seiten 58 jeweils einen Ansatz 60 aufweist. Der jeweilige Ansatz 60 ist mit einem abgestuften Durchgangsloch 62 für ein Befestigungselement 64 ausgebildet. Bei den Befestigungselementen 64 handelt es sich beispielsweise um Schrauben, die in Gewindebohrungen 66 einschraubbar bzw. eingeschraubt sind, die im Kühlkörper 14 ausgebildet sind.
  • Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird das plättchenförmige Substrat 16 des Leistungshalbleitermoduls 10 mit seiner wärmeleitenden Metallschicht 22 mittels des Druckkörpers 56 grossflächig gegen den Kühlkörper 14 gepresst, wobei der Druckkörper 56 an der vom plättchenförmigen Substrat 16 abgewandten Stirnfläche 44 des Gehäuserahmens 36 eng anliegt.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Druckkörper 56 mit gegenüberliegenden Längsseiten 68 ausgebildet, die an den vom Gehäuserahmen 36 weg stehenden Abstandselementen 46 formschlüssig anliegen und die voneinander einen solchen Abstand besitzen, dass die an diesen Längsseiten 68 befindlichen Anschlusselemente 30 vorn Druckkörper 46 frei bleiben. Der Druckkörper 56 ist mit Durchgangslöchern 70 ausgebildet, durch die sich entsprechende Anschlusselemente 30 des Leistungshalbleitermoduls 10 hindurch erstrecken.
  • Gleiche Einzelheiten sind in den 1, 2 und 3 jeweils mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit den Figuren alle Einzelheiten jeweils detailliert zu beschreiben.
    • 10
    Leistungshalbleitermodul
    12
    Leiterplatte
    14
    Kühlbauteil
    16
    plättchenförmiges Substrat (von 10)
    18
    erste Hauptfläche (von 16)
    20
    zweite Hauptfläche (von 16)
    22
    Metallschicht (an 18)
    24
    Leiterbahnstruktur (an 20 für 26)
    26
    Leistungshalbleiter-Bauelemente (von 10 an 24)
    28
    Bonddrähte (zwischen 26 und 24)
    30
    Anschlusselemente (von 10 für 12)
    32
    Stifte (von 30)
    34
    Außenrandabschnitt (von 20 bzw. 16)
    36
    Gehäuserahmen (von 10 an 34)
    38
    Bund (von 36)
    40
    Durchgangslöcher (in 38)
    42
    Kontaktabschnitte (von 30 für 12)
    44
    Stirnfläche (von 36)
    46
    Abstandselemente (an 44 für 12)
    48
    Innenraum (von 36)
    50
    Isoliermaterial (in 48)
    52
    Ecken (von 36)
    54
    Wärmeleitkleberschicht (zwischen 22 und 14)
    56
    Druckkörper (für 10)
    58
    gegenüberliegende Seiten (von 56)
    60
    Ansatz (an 58)
    62
    Durchgangsloch (in 60 für 64)
    64
    Befestigungselement (für 56 an 14)
    66
    Gewindebohrung (in 14 für 64)
    68
    Längsseiten (von 56)
    70
    Durchgangslöcher (in 56 für 30)

Claims (8)

  1. Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul (10) und einem Kühlbauteil (14), wobei das Leistungshalbleitermodul (10) mindestens ein Substrat (16), mindestens ein auf diesem angeordnetes steuerbares Leistungshalbleiter-Bauelement (26), ein rahmenartiges Gehäuse (36), und auf der vom Kühlbauteil (14) abgewandten Seite nach außen führende Anschlusselemente (30) aufweist, wobei das rahmenartige Gehäuse (36) zumindest teilweise mit einem Isolierstoff (50) verfüllt ist, und das Leistungshalbleitermodul (10) mittels eines Kunststoff-Druckkörpers (56) mit dem Kühlbauteil (14) druckkontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das rahmenartige Gehäuse (36) einen nach innen gerichteten Bund (38) aufweist, der mit Durchgangslöchern (40) ausgebildet ist, durch die sich die Anschlusselemente (30) für die Last- und Hilfskontakte hindurch erstrecken.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein plättchenförmiges Substrat (16), das auf einer ersten Hauptfläche (18) eine Metallschicht (22) zum Ableiten der Verlustwärme des Leistungshalbleitermoduls an das Kühlbauteil (14) aufweist und das auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (20) mit einer Leiterbahnstruktur (24) ausgebildet ist, an der die Leistungshalbleiter-Bauelemente (26) und Anschlusselemente (30) für die Last- und Hilfskontakte vorgesehen sind, wobei vom Außenrandabschnitt (34) der zweiten Hauptfläche (20) des plättchenförmigen Substrats (16) der Gehäuserahmen (36) weg steht, und die Anschlusselemente (30) für die Last- und Hilfskontakte mit Kontaktabschnitten (42) aus dem Gehäuserahmen (36) vorstehen.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das plättchenförmige Substrat (16) eine mindestens annähernd quadratische Grundfläche und der Gehäuserahmen (36) daran angepasste Grundflächenabmessungen aufweist.
  4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuserahmen (36) an seiner vom plättchenförmigen Substrat (16) abgewandten Stirnfläche (44) mit Abstandselementen (46) für eine Leiterplatte (12) ausgebildet ist, die gleich lang wie oder die kürzer sind als die aus dem Gehäuserahmen (36) vorstehenden Kontaktabschnitte (42) der Anschlusselemente (30) für die Last- und Hilfskontakte.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatten-Abstandselemente (46) an den Ecken (52) des Gehäuserahmens (36) ausgebildet sind.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das plättchenförmige Substrat (16) mit seiner wärmeableitenden Metallschicht (22) mittels einer Wärmeleitkleberschicht (54) mit dem Kühlbauteil (14) verbunden ist.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das plättchenförmige Substrat (16) mit seiner wärmeableitenden Metallschicht (22) mittels des Druckkörpers (56) gegen das Kühlbauteil (14) gepresst ist, wobei der Druckkörper (56) an der vom plättchenförmigen Substrat (16) abgewandten Stirnfläche (44) des Gehäuserahmens (36) anliegt und auf gegenüberliegenden Seiten (58) Ansätze (60) aufweist, die mit Durchgangslöchern (62) für Befestigungselemente (64) ausgebildet sind, mittels welchen der Druckkörper (56) und mit diesem das Leistungshalbleitermodul (10) an dem Kühlbauteil (14) befestigt ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (56) mit Durchgangslöchern (70) für die Last- und Hilfskontakt-Anschlusselemente (30) ausgebildet ist.
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