DE102017107117B3 - Leistungshalbleitermodul mit Schalteinrichtung und Anordnung hiermit - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul vorgestellt, das ausgebildet ist mit einem Gehäuse, mit einer Schalteinrichtung, mit einem in dem Gehäuse angeordneten Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung, mit Anschlusseinrichtungen und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglichen und im Gehäuse angeordneten Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung einen starren Grundkörper sowie einen ersten Elastischer Druckkörper und einen zweiten Elastischer Druckkörper aufweist, wobei der erste Elastischer Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats weg von dem Substrat aus dem Grundkörper herausragt und wobei der zweite Elastischer Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats hin auf das Substrat aus dem Grundkörper herausragt, wobei der erste elastische Druckkörper und der zweite elastische Druckkörper einstückig ausgebildet sind und wobei das Gehäuse Befestigungseinrichtungen zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls auf einer Kühleinrichtung aufweist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einer Schalteinrichtung, die die Basiszelle des Leistungshalbleitermoduls bildet. Weiterhin wird eine Anordnung mit einem derartigen Leistungshalbleitermodul beschrieben.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE10 2014 106 570 A1 , ist ein Leistungshalbleitermodul und eine Anordnung hiermit bekannt, wobei das Leistungshalbleitermodul ausgebildet ist mit einem Gehäuse, einer Schalteinrichtung mit einem dem Gehäuse verbundenen Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer gegen das Gehäuse beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung. Hierbei weist das Substrat eine erste mittige Durchgangsöffnung sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Hierbei weist die Verbindungseinrichtung eine erste und eine zweite Hauptfläche auf und ist mit einer elektrisch leitenden Folie ausgebildet. Weiterhin weist die Druckeinrichtung einen elastischen Druckkörper mit einer zweiten zur ersten fluchtenden Durchgangsöffnung und mit einer ersten Ausnehmung auf aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Hierbei sind die erste und zweite Durchgangsöffnung dazu ausgebildet ein Befestigungsmittel aufzunehmen, das das Leistungshalbleitermodul in der Anordnung auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig befestigt.
  • In der DE 10 2013 104 950 B3 wird ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung mit einer leistungselektronischen Schalteinrichtung, einem Gehäuse, nach außen führenden ersten Lastanschlusselementen und mit einer ersten Druckeinrichtung offenbart. Hierbei weist die Schalteinrichtung ein Substrat mit einem Leistungshalbleiterbauelement, eine interne Verbindungseinrichtung, interne zweite Lastanschlusseinrichtungen und eine zweite Druckeinrichtung auf. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund ausgebildet. Die zweite Druckeinrichtung wiest einen Druckkörper mit einer ersten Ausnehmung auf, der ein erstes Druckelement in Richtung der Leistungshalbleiterbauelemente hervorstehend aufweist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Weiterhin sind die ersten Lastanschlusseinrichtungen mit auf der Oberseite des Druckkörpers angeordneten Lastkontaktstellen der zweiten Lastanschlusseinrichtungen polaritätsgerecht direkt elektrisch verbunden.
  • Daneben ist auch aus der DE 10 2009 002 191 A1 ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse und einer darin angeordneten Druckeinrichtung bekannt.
  • In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul, sowie eine Anordnung hiermit, mit mindestens einer Schalteinrichtung vorzustellen, wobei die Druckeinleitung auf die Schalteinrichtung besonders einfach und effektiv erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul ist ausgebildet mit einem Gehäuse, mit einer Schalteinrichtung, mit einem in dem Gehäuse angeordneten Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung, mit Anschlusseinrichtungen und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglichen und im Gehäuse angeordneten Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung einen starren Grundkörper sowie einen ersten Elastischer Druckkörper und einen zweiten Elastischer Druckkörper aufweist, wobei der erste Elastischer Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats weg von dem Substrat aus dem Grundkörper herausragt und wobei der zweite Elastischer Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats hin auf das Substrat aus dem Grundkörper herausragt und wobei das Gehäuse Befestigungseinrichtungen zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls auf einer Kühleinrichtung aufweist.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die jeweiligen elastischen Druckkörper, das Leistungshalbleiterbauelement, und die Verbindungseinrichtung auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein. Insbesondere können mehrere Leistungshalbleiterbauelemente auf einer oder mehreren Leiterbahnen eines Substrats angeordnet sein.
  • Das genannte Gehäuse ist nicht zwangsläufig als ein das Substrat allseits umschließendes Gehäuse ausgebildet, wie es fachüblich ist für ein Leistungshalbleitermodul. Das Gehäuse kann, insbesondere falls das Leistungshalbleitermodul Teil eines größeren Systems, insbesondere mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen, ist auch als ein skeletartiges Gehäuse ausgebildet sein. Hierbei sind dann nur wesentliche und notwendige Teile des Gehäuses ausgebildet, wobei insbesondere geschlossenen Seitenflächen nicht notwendig sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Verbindungseinrichtung als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist, wobei die leitenden Folien und isolierenden Folien alternierend angeordnet sind. In einer Alternative kann die Verbindungseinrichtung als Metallformkörper, vorzugsweise als flächiger Metallformkörper oder als Bondband ausgebildet sein.
  • Erindungsgemäß sind der erste elastische Druckkörper und der zweite elastische Druckkörper einstückig ausgebildet. Dies kann vorteilhaft erreicht sein, indem beide elastische Druckkörper in einem Herstellungsschritt in den Grundkörper eingespritzt sind.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn das Substrat auf seiner dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls abgewandten Seite eine metallische Grundplatte aufweist.
  • Auch kann es vorteilhaft sein, wenn der Grundkörper seitliche Begrenzungseinrichtungen aufweist, die insbesondere die seitliche Ausdehnung des zweiten elastischen Druckkörpers beschränken.
  • Der Grundkörper kann aus einem Isolierstoff, vorzugsweise einem hochtemperaturbeständigen, vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid bestehen. Alternativ kann der Grundkörper auch aus einem Metallformkörper bestehen. Die elastischen Druckkörper können aus einem Elastomer, vorzugsweise einem Silikonelastomer, insbesondere aus einem vernetzten Flüssig-Silikon, bestehen. Besonders bevorzugt ist es, wenn beide elastische Druckkörper aus dem gleichen Werkstoff bestehen.
  • Es ist besonders bevorzugt, wenn der erste elastische Druckkörper eine größere wirksame Höhe aufweist als der zweite elastische Druckkörper. Unter der wirksamen Höhe soll diejenige verstanden werden in die für die Deformation des elastischen Druckkörpers zur Verfügung steht. Dies ist insbesondere diejenige Höhe die über die umgebende Oberfläche des Grundkörpers hervorsteht, bzw. aus dem Grundkörper herausragt.
  • Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Gehäuse erste Führungselemente und die Druckeinrichtung zweite Führungselemente aufweist, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet und dazu ausgebildet sind eine Bewegung der Druckeinrichtung zum Gehäuse in Normalenrichtung zu führen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist ausgebildet mit einem oben beschriebenen Leistungshalbleitermodul, mit einer Kühleinrichtung und mit einem Befestigungsmittel, wobei das Befestigungsmittel in die Befestigungseinrichtung, die Teil des Gehäuses ist, eingreift und somit das Leistungshalbleitermodul auf der Kühleinrichtung fixiert und das Gehäuse einen ersten Druck auf den ersten elastischen Druckkörper ausübt, der zweite elastischer Druckkörper diesen Druck als zweiten Druck auf das Substrat überträgt und somit schließlich das Substrat mittels eines dritten Drucks auf die Kühleinrichtung gedrückt wird.
  • Hierbei kann der Druck des zweiten elastischen Druckkörpers auf das Substrat mittelbar ausgeübt werden, indem der Druck auf Verbindungseinrichtung ausgeübt wird.
  • Es kann aber auch der Druck des zweiten elastischen Druckkörpers auf das Substrat unmittelbar ausgeübt werden.
  • Bevorzugt ist es, wenn zwischen Substrat und der Kühleinrichtung eine Wärmeleitpaste mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet ist.
  • Bevorzugt ist es weiterhin, wenn das Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls mindesten einen Zapfen aufweist, der in einer zugeordneten Ausnehmung der Kühleinrichtung hineinragt und dazu ausgebildet ist ein Verdrehen des Gehäuses gegen die Kühleinrichtung zu verhindern.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in einer erfindungsgemäßen Anordnung.
    • 2 zeigt eine nicht mit Druck beaufschlagte erste Druckeinrichtung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
    • 3 und 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in einer erfindungsgemäßen Anordnung in Explosionsdarstellung bzw. in Normaldarstellung.
    • 5 zeigt eine mit Druck beaufschlagte zweite Druckeinrichtung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 in einer erfindungsgemäßen Anordnung 10. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die im Betrieb unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung 100 aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind.
  • Auf zwei Leiterbahnen 22 sind jeweils Leistungshalbleiterbauelemente 26, hier Leistungsschalter angeordnet, die fachüblich als Einzelschalter, beispielhaft als MOS-FET, oder als IGBT mit antiparallel geschalteter Leistungsdiode, wie hier dargestellt, ausgebildet sind. Die Leistungshalbleiterbauelemente 26 sind hier stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit den Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
  • Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 100 sind hier ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem fachüblichen Folienverbund 30. Dieser Folienverbund 30 verbindet insbesondere die jeweiligen Leistungshalbleiterbauelemente 26, genauer deren Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats 2. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Folienverbund 30 lokal mit den Kontaktflächen mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können gleichartig auch Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen 26 und zwischen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden. Insbesondere bei Drucksinterverbindungen ist es vorteilhaft, wie dargestellt, eine isolierende Masse 28 am Randbereich der Leistungshalbleiterbauelemente 26 anzuordnen. Diese isolierende Masse 28 kann auch in den Zwischenräumen zwischen den Leiterbahnen 22 angeordnet sein. Das Substrat 2 ist auf einer metallischen, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildeten Grundplatte 24 angeordnet und stoffschlüssig damit verbunden. Hierzu kann das Substrat fachüblich auf seiner der Grundplatte zugewandten Seite noch eine weitere metallische Kaschierung aufweisen. Das Gehäuse 6 des Leistungshalbleitermoduls weist einen Zapfen 68 auf, der in eine zugeordnete Ausnehmung der Kühleinrichtung 8 hineinragt und dazu ausgebildet ist, insbesondere bei der Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 im Rahmen der Anordnung 10, ein Verdrehen des Gehäuses 6 gegen die Kühleinrichtung 8 zu verhindern.
  • Zur externen elektrischen Anbindung weist das Leistungshalbleitermodul 1 Last- und Hilfsanschlusselemente auf, wobei hier nur die Lastanschlusselemente 4 dargestellt sind. Diese Lastanschlusselemente 4 sind rein beispielhaft als Metallformkörper ausgebildet, die mit einem Kontaktfuß mit einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 stoffschlüssig, vorteilhafterweise ebenfalls mittels einer Sinterverbindung, verbunden sind. Die externe Verbindung wird hier fachüblich mittels einer Schraubverbindung 40 ausgebildet. Grundsätzlich können auch Teile der Verbindungseinrichtung 3 selbst als Last- oder Hilfsanschlusselemente ausgebildet sein. Die Hilfsanschlusselemente, wie Gate- oder Sensoranschlüsse, können im Übrigen fachüblich ausgebildet sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein Gehäuse 6 auf, durch dessen Ausnehmungen die Lastanschlusselemente 4 nach außen ragen. Das Gehäuse 6 ist weiterhin mit der Grundplatte 24 mittels einer Klebeverbindung verbunden. Ein Randbereich des Gehäuses 6, der teilweise auf der Grundplatte 24 aufliegt und die Befestigungseinrichtung 602 ausbildet, ist mit einer Kühleinrichtung 8, hier beispielhaft einer Luftkühleinrichtung, mittels einer Schraubverbindung verbunden. Diese Schraubverbindung ist ausgebildeten mit einer Schraube 82, dem Befestigungsmittel, angeordnet in einem mit einem Gewinde versehenen Sackloch 80 der Kühleinrichtung 8. Hierdurch ist die Grundplatte 24 in thermisch leitendem Kontakt auf der Kühleinrichtung 8 angeordnet. Zwischen Grundplatte 24 und Kühleinrichtung 8 ist eine pastöse wärme leitende Schicht 800 mit einer Dicke von ca. 10µm angeordnet.
  • Eine Druckeinrichtung 5 ist im Grund identisch derjenigen in 2 ausgebildet, wobei diejenige in 2 ohne Druckbeaufschlagung dargestellt ist und hier in 1 mit Druckbeaufschlagung, also im eingebauten Zustand bei dem das Leistungshalbleitermodul 1 auf der Kühleinrichtung 8 montiert ist und somit eine erfindungsgemäße Anordnung 10 ausbildet. Die Druckeinrichtung 5 weist, vgl. auch 2, eine erste dem Substrat 2 abgewandte Hauptfläche 502 und eine zweite dem Substrat 2 zugewandte Hauptfläche 504 auf. Die Druckeinrichtung 5 weist einen Grundkörper 50 auf der starr, insbesondere biegefest, ausgebildet ist. Er ist hierzu aus einem hochtemperaturbeständigen Polyphenylensulfid ausgebildet und dadurch auch elektrisch isolierend. In Ausnehmungen 512, 514 dieses Grundkörpers 50 und aus diesen Ausnehmungen herausragend sind eine Mehrzahl von elastischen Druckkörpern 52, 54 angeordnet, wobei die Herstellung der Druckeinrichtung 5, also die Anordnung der elastischen Druckkörper 52, 54 in dem Grundkörper 50 vorzugsweise mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahrens erfolgt. Die elastischen Druckkörper 52, 54 sind hierbei aus einem vernetzen Liquid-Silicon-Rubber (LSR) ausgebildet.
  • Die Druckeinrichtung 5 weist in dieser Ausgestaltung zwei erste elastische Druckkörper 52 auf, die aus der ersten Hauptfläche 502 des Grundkörpers 50 aus der zugeordneten Ausnehmung 512 in Normalenrichtung N weg von dem Substrat 2 herausragen. Weiterhin weist die Druckeinrichtung 5 zwei zweite elastische Druckkörper 54 auf, die aus der zweiten Hauptfläche 504 des Grundkörpers 50 aus der zugeordneten Ausnehmung 514 in Normalenrichtung N hin auf das Substrat 2 herausragen. In dieser Ausgestaltung ist jeweils ein erster elastischer Druckkörper 52 und ein in Normalenrichtung N fluchtender zweiter elastischer Druckkörper 54 einstückig ausgebildet. Beiden ragen aus einer gemeinsamen Ausnehmung, gebildet aus den jeweiligen Ausnehmungen 512, 514 des Grundkörpers 50 auf der ihnen jeweils zugeordneten Hauptfläche 502, 504 heraus.
  • Das Gehäuse 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 übt im montierten Zustand Druck auf den jeweiligen ersten elastischen Druckkörper 52 aus. Dieser Druck wird teilweise, aufgrund der einstückigen Ausbildung jeweiliger erster und zweiter elastischer Druckkörper 52, 54, direkt vom ersten elastischen Druckkörper 52 auf den zugeordneten zweiten elastischen Druckkörper 54 übertragen. Teilweise erfolgt die Druckübertragung auch über den starren Grundkörper 50 vom ersten auf den zweiten elastischen Druckkörper. Der jeweilige zweite elastische Druckkörper 54 übt den eingeleiteten Druck weiter auf die Verbindungseinrichtung 3 aus. Diese gesamte Druckausübung innerhalb des Leistungshalbleitermoduls erfolgt in Form einer Druckkaskade im Wesentlichen fluchten zu den Leistungshalbleiterbauelementen 26 und damit auch in Normalenrichtung N des Substrats 2. Das Gehäuse weist für die in der Regel thermisch im Betrieb bedingte Bewegung der Druckeinrichtung 5 in Normalenrichtung N innerhalb des Gehäuses 6 erste, nicht dargestellte, Führungselemente auf. Die Druckeinrichtung 5 weist zweite, ebenfalls nicht dargestellte, Führungselemente aufweist, wobei die ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet und dazu ausgebildet sind eine Bewegung der Druckeinrichtung 5 zum Gehäuse 6 in Normalenrichtung N zu führen.
  • Im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung 10 erfolgt somit letztendlich durch die Schraubverbindung 80, 82 des Gehäuses 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 mit der Kühleinrichtung 8 eine Druckkaskade von der Verbindungseinrichtung 3, auf die Leistungshalbleiterbauelemente 26 weiter auf das Substrat 2 und schließlich weiter auf die Kühleinrichtung 8. Wenigstens eine der Verbindungen
    • • Verbindungseinrichtung 3 zu Leistungshalbleiterbauelement 26,
    • • Leistungshalbleiterbauelement 26 zu Substrat 2,
    • • Substrat 2 zu Grundplatte 24
    ist somit ausschließlich kraftschlüssig ausgebildet. Dies heißt im Umkehrschluss, dass wenigsten eine der beiden Verbindungen Verbindungseinrichtung 3 zu Leistungshalbleiterbauelement 26 oder Leistungshalbleiterbauelement 26 zu Substrat 2 stoffschlüssig ausgeführt sein kann, aber nicht muss. Aus Gründen der effizienten und kostengünstigen Herstellung ist es besonders vorteilhaft, wenn nur die Verbindung Leistungshalbleiterbauelement 26 zu Substrat 2 stoffschlüssig ausgeführt ist.
  • 2 zeigt eine nicht mit Druck beaufschlagte erste Druckeinrichtung 5 eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1. Diese unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 weiterhin dadurch, dass der Grundkörper 50 seitliche Begrenzungseinrichtungen 506, 508 aufweist. Hier ist eine erste, wallartige Begrenzungseinrichtungen 506 neben dem ersten elastischen Druckkörper 52 auf der ersten Hauptfläche 502 des Grundkörpers 50 angeordnet. Dieser Wall 506 ist vorzugsweise umlaufend um den, dem Gehäuse 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 seitlich zugewandten, Rand des Grundkörpers 50 angeordnet.
  • Die Ausgestaltung der weiteren Begrenzungseinrichtung 508 ist ausgebildet als ein um einen einzelnen elastischen Druckkörper 54 seitlich umlaufender und von ihm geringfügig beabstandeter Ringwall.
  • Allgemein dienen die Begrenzungseinrichtungen 506, 508 der Begrenzung der lateralen, und damit senkrecht zur Normalenrichtung N des Substrats 2 verlaufenden, speziell durch Verformung erfolgenden, Ausdehnung des zugeordneten elastischen Druckkörpers 52, 54.
  • 3 und 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 in einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 in Explosionsdarstellung bzw. in Normaldarstellung.
  • Das hier dargestellte Leistungshalbleitermodul 1 unterscheidet sich von dem unter 1 beschriebenen hauptsächlich dadurch, dass dieses Leistungshalbleitermodul 1 keine Grundplatte aufweist und dass hier die Anschlusselemente 4 als vorzugsweise fachüblich ausgebildete Press-fit-Kontakte ausgebildet sind. Weiterhin ist hier die Verbindungseinrichtung 3 fachüblich ausgebildet mittels einer Mehrzahl von flächigen Metallformkörpern 32. Zwischen dem Substrat 2 und der Kühleinrichtung 8 ist eine pastöse wärme leitende Schicht 800 mit einer Dicke von ca. 5µm angeordnet.
  • Durch die Schraubverbindung 80, 82 des Gehäuses 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 mit der Kühleinrichtung 8 entsteht wiederum eine Druckkaskade. Das Gehäuse 6 übt hierbei einen ersten Druck 60 auf den ersten elastischen Druckkörper 52 der Druckeinrichtung 5 aus und liegt hierbei mit einem Randbereich des Gehäuses, der hier die Befestigungseinrichtung 602 ausbildet, auf der Kühleinrichtung 8 auf. Dieser Druck wird wie oben bereits beschrieben auf den zweiten elastischen Druckkörper 54 überragen. Dieser zweite elastische Druckkörper 54 übt nun einen zweiten Druck 62 auf die Verbindungseinrichtung 3 aus. Die Verbindungseinrichtung 3 ist bei dieser Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls 1 stoffschlüssig mit dem Leistungshalbleiterbauelement 26 verbunden. Ebenso ist das Leistungshalbleiterbauelement 26 stoffschlüssig mit dem Substrat 2, genauer einer Leiterbahn 22 des Substrats 2, verbunden. Über diese Kombination aus Verbindungseinrichtung 3, Leistungshalbleiterbauelement 26 und Substrat 2 erfolgt die Weitergabe des nun dritten Drucks 64 auf die Kühleinrichtung 8. Die jeweilige Druckkaskade erfolgt in Normalenrichtung N des Substrats 2 und jeweils fluchten zu einem Leistungshalbleiterbauelement 26. Dies stellt die optimale, aber nicht zwangsläufig einzig mögliche, Ausgestaltung der Druckeinleitung dar, da hierbei der Kontakt zwischen dem Substrat 2 und der Kühleinrichtung 8 dort am höchsten ist, wo in Normalenrichtung N betrachtet das Leistungshalbleiterbauelement 26 fluchtend angeordnet ist. Somit kann die im Betrieb durch dieses Leistungshalbleiterbauelement 26 erzeugte Wärme optimal auf die Kühlreinrichtung 8 abgeführt werden.
  • Bei der hier dargestellten Druckeinrichtung 5 ist die jeweils einem ersten und einem zweiten elastischen Druckkörper 52, 54 zugeordnet Ausnehmungen derart ausgebildet, dass in nicht mit Druck beaufschlagtem Zustand die jeweiligen elastischen Druckkörper 52, 54 nicht auf der Hauptfläche des Grundkörpers 50 aufliegen, sondern in ihrem jeweiligen Randbereich in einer Vertiefung dieses Grundkörpers 50 aufliegen und in ihrem jeweiligen Zentralbereich miteinander verbunden sind.
  • 4 zeigt das in 3 in Explosionsdarstellung abgebildete und auf einer Kühleinrichtung 8, hier beispielhaft einer Luftkühleinrichtung, angeordnete Leistungshalbleitermodul 1. Dabei ist hier die Druckeinrichtung 5 mit Druckbeaufschlagung dargestellt und somit sind die jeweiligen elastischen Druckkörper 52, 54 entsprechend dieser Druckeinleitung verformt dargestellt.
  • 5 zeigt eine mit Druck beaufschlagte zweite Druckeinrichtung 5 eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Hierbei sind einerseits, auf der linken Seite der Figur jeweils ein erster und ein zweiter elastischer Druckkörper 52, 54 dargestellt, die zueinander fluchtend angeordnet sind, allerdings nicht einstückig ausgebildet sind. Beide elastische Druckkörper 52, 54 sind in ihnen zugeordneten Ausnehmungen 512, 514 des Grundkörpers 50 angeordnet. Hierbei wird also kein Druck, auch nicht anteilig, direkt von dem ersten elastischen Druckkörper 52 auf den zweiten elastischen Druckkörper 54 übertragen. Vielmehr wird der Druck vollständig über den Grundkörper 50, also indirekt vom ersten elastischen Druckkörper 52 auf den zweiten elastischen Druckkörper 54 übertragen.
  • Andererseits, auf der linken Seiter der Figur dargestellt, sind ein erster und zwei zweite elastischer Druckkörper 52, 54 dargestellt, die erfindungsgemäß gemeinsam einstückig ausgebildet sind. Der erste elastische Druckkörper 52 weist hier senkrecht zur Normalenrichtung N des Substrats 2 eine größere Ausdehnung auf als die jeweiligen zweiten elastischen Druckkörper 54.
  • Für beide Ausgestaltungen gilt, wie auch für diejenigen Druckeinrichtungen 5 der 1 bis 4, dass der jeweilige erste elastische Druckkörper 52 eine größere wirksame Höhe 522 aufweist als der zugeordnete zweite elastische Druckkörper 54.
  • Insbesondere weisen natürlich alle ersten elastischen Druckkörper 52 im Vergleich zu allen zweiten elastischen Druckkörpern 54 diese Eigenschaft auf. Unter einer größeren wirksamen Höhe 522 soll hier verstanden werden, dass im jeweils mit Druck beaufschlagtem Zustand die Höhe 522, 542 gemessen von der zugeordneten Hauptfläche 502, 504 zur von dieser abgewandten Oberfläche 520, 540 des jeweiligen elastischen Druckkörpers 52 ,54 bei einem ersten elastischen Druckkörper 52 größer ist als bei einem, insbesondere zugeordneten, zweiten elastischen Druckkörper 54.
  • Bei einstückiger Ausgestaltung des ersten und zweiten elastischen Druckkörpers 52, 54 oder auch bei der grundsätzlich immer bevorzugten Ausbildung zugeordneter, insbesondere aller, elastischen Druckkörper aus dem gleichen Werkstoff entspricht die o.g. Bedingung einfach der größeren Höhe 522 der ersten elastischen Druckkörper 52 im Vergleich zur Höhe 542 der zweiten elastischen Druckkörper 54, jeweils im Druck beaufschlagtem Zustand und gemessen ab der zugeordneten Hauptfläche 502, 504 des Grundkörpers 50.
  • Alle oben in den Ausführungsbeispielen gemäß der 3 bis 5 genannten ersten und zweiten elastischen Druckkörper 52, 54 bestehen aus vernetzten Flüssig-Silikon, während die Grundkörper 50 aus Polyphenylensulfid bestehen.

Claims (13)

  1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Gehäuse (6), mit einer Schalteinrichtung (100), mit einem in dem Gehäuse (6) angeordneten Substrat (2), mit einer Verbindungseinrichtung (3), mit Anschlusseinrichtungen (4) und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglichen und im Gehäuse (6) angeordneten Druckeinrichtung (5), wobei das Substrat (2) gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (22) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) ein Leistungshalbleiterbauelement (26) angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung (100) mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung (5) einen starren Grundkörper (50) sowie einen ersten elastischen Druckkörper (52) und einen zweiten elastischen Druckkörper (54) aufweist, wobei der erste elastische Druckkörper (52) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) weg von dem Substrat aus dem Grundkörper (50) herausragt und wobei der zweite elastische Druckkörper (54) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) hin auf das Substrat aus dem Grundkörper (50) herausragt, wobei der erste elastische Druckkörper (52) und der zweite elastische Druckkörper (54) einstückig ausgebildet sind und wobei das Gehäuse (6) Befestigungseinrichtungen (602) zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls (1) auf einer Kühleinrichtung (8) aufweist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienstapel (30) mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist, wobei die leitenden Folien und isolierenden Folien alternierend angeordnet sind.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Metallformkörper (32), vorzugsweise als flächiger Metallformkörper oder als Bondband ausgebildet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) auf seiner dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls (1) abgewandten Seite eine metallische Grundplatte (24) aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (50) seitliche Begrenzungseinrichtungen (506, 508) aufweist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (50) aus einem Isolierstoff, vorzugsweise einem hochtemperaturbeständigen, vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, oder aus einem Metallkörper besteht und die elastischen Druckkörper (52, 54) aus einem Elastomer, vorzugsweise einem Silikonelastomer, insbesondere aus einem vernetzten Flüssig-Silikon, bestehen.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elastische Druckkörper (52) eine größere wirksame Höhe (522) aufweist als der zweite elastische Druckkörper (54).
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (6) erste Führungselemente und die Druckeinrichtung (5) zweite Führungselemente aufweist, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet und dazu ausgebildet sind eine Bewegung der Druckeinrichtung (5) zum Gehäuse (6) in Normalenrichtung (N) zu führen.
  9. Anordnung (10) mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kühleinrichtung (8) und mit einem Befestigungsmittel (82), wobei das Befestigungsmittel (82) in die Befestigungseinrichtung (602), die Teil des Gehäuses (6) ist, eingreift und somit das Leistungshalbleitermodul (1) auf der Kühleinrichtung (8) fixiert und hierbei das Gehäuse einen ersten Druck (60) auf den ersten elastischen Druckkörper (52) ausübt, der zweite elastischer Druckkörper (54) diesen Druck als zweiten Druck (64) auf das Substrat (2) überträgt und somit schließlich das Substrat (2) mittels eines dritten Drucks (64) auf die Kühleinrichtung (8) gedrückt (64) wird.
  10. Anordnung (10) nach Anspruch 9, wobei der Druck (62) des zweiten elastischen Druckkörpers (54) auf das Substrat (2) mittelbar ausgeübt wird, indem der Druck auf Verbindungseinrichtung (3) ausgeübt wird.
  11. Anordnung (10) nach Anspruch 9, wobei der Druck (62) des zweiten elastischen Druckkörpers (54) auf das Substrat (2) unmittelbar ausgeübt wird.
  12. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zwischen Substrat (2) und der Kühleinrichtung (8) eine Wärmeleitpaste (800) mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet ist.
  13. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Gehäuse (6) des Leistungshalbleitermoduls (1) mindesten einen Zapfen (68) aufweist, der in einer zugeordneten Ausnehmung der Kühleinrichtung (8) hineinragt und dazu ausgebildet ist ein Verdrehen des Gehäuses (6) gegen die Kühleinrichtung (8) zu verhindern.
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