DE102018131855A1

DE102018131855A1 - Leistungshalbleitermodul mit einem Druckkörper und mit einem Druckeinleitkörper, Leistungshalbleiteranordnung hiermit sowie Leistungshalbleitersystem hiermit

Info

Publication number: DE102018131855A1
Application number: DE102018131855.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Beck; Sandro Bulovic; Ralf Ehler; Harald Kobolla; Alexander Schneider; Christian Zeiler
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-18

Abstract

Vorgestellt wird ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, mit einem Druckkörper und mit einen Druckeinleitkörper, wobei das Substrat einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, wobei der Druckkörper einen Druckgrundkörper und von diesem in Richtung auf das Substrat wegstehende Druckelemente aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche des Substrats, die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, Druck auf das Substrat in Richtung auf das Kühlbauteil auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper auf den Druckkörper eingeleitet wird. Weiterhin wird eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlbauteil, sowie ein Leistungshalbleitersystem mit Leistungshalbleitereinrichtungen vorgestellt.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, das einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, mit einem Druckkörper und mit einem Druckeinleitkörper. Weiterhin beschreibt die Erfindung eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem derartigen Leistungshalbleitermodul und mit einem Kühlbauteil, auf dem das Leistungshalbleitermodul angeordnet ist. Schließlich beschreibt die Erfindung ein Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiteranordnungen.
Aus der DE 10 2012 206 264 A1 ist ein Leistungshalbleitersystem und hierfür ein anreihbares Leistungshalbleitermodul bekannt, mit einer quaderförmigen, jeweils zwei sich jeweils paarweise gegenüberliegenden Haupt- Längs- und Schmalseiten aufweisenden Grundform, mit einer durchströmbaren Kühleinrichtung, einer leistungselektronischen Schalteinrichtung und einem Gehäuse vorgestellt. Hierbei weist die Kühleinrichtung ein Kühlvolumen mit mindestens einer Kühlfläche und vier Anschlusseinrichtungen für die Kühlflüssigkeit auf, die paarweise an den Hauptseiten angeordnet sind. Weiterhin sind die Anschlusseinrichtungen für die Kühlflüssigkeit ausgebildet als jeweils ein Vorlaufzu- und ein Vorlaufabfluss sowie als ein Rücklaufzu- und ein Rücklaufabfluss. Die leistungselektronische Schalteinrichtung weist Lasteingangs- und Lastausgangsanschlusseinrichtungen auf, die jeweils an einer oder beiden Längsseiten angeordnet sind sowie eine Steueranschlusseinrichtung, die an einer Schmalseite des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist.
In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein weitergebildetes Leistungshalbleitersystem mit weitergebildeter Ausgestaltung der Leistungshalbleiteranordnung und zugehörigem weitergebildetem Leistungshalbleitermodul anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, mit einem Druckkörper und mit einen Druckeinleitkörper, wobei das Substrat einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, wobei der Druckkörper einen Druckgrundkörper und von diesem in Richtung auf das Substrat wegstehende Druckelemente aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche des Substrats, die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, Druck auf das Substrat in Richtung auf das Kühlbauteil auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper auf den Druckkörper eingeleitet wird.
Hierbei können in einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Druckeinleitfläche mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente zugeordnet sein.
Es ist bevorzugt, wenn die jeweilige Druckeinleitfläche des Substrats auf dem Substratkörper oder auf einer Leiterbahn oder in einer Vertiefung der Leiterbahn angeordnet ist. Selbstverständlich sind Mischformen hiervon ebenso möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf einer Leiterbahn und vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind. Dabei kann zwischen den in Reihe angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen jeweils eine Druckeinleitfläche angeordnet sein.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl von Leiterbahnen parallel zueinander angeordnet sind und bei vorhanden sein einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf der jeweiligen Leiterbahn diese in Reihen nebeneinander hierauf angeordnet sind, wodurch die Leistungshalbleiterbauelemente in einer N x M Matrixstruktur angeordnet sind, mit N > 1 und M > 1.
In einer bevorzugten Variante ist der Druckkörper samt Druckelementen starr ausgebildet. Alternativ hierzu kann ein Druckgrundkörper des Druckkörpers starr und mindestens eines der Druckelemente in Normalenrichtung des Substrats beweglich oder federnd beweglich, ausgebildet sein. Hierbei kann das bewegliche Druckelement teilweise in einer Freisparung des Druckgrundkörpers angeordnet sein. Auch kann das bewegliche Druckelement mittels einer oder bevorzugt mehrerer Zungen mit dem Druckgrundkörper verbunden sein, wobei die Beweglichkeit durch die Form oder das Material der Zunge oder eine Kombination aus beiden erreicht wird. Mittels derartiger beweglicher Druckelemente kann die Homogenität der Druckeinleitung des Druckkörpers über die Druckelemente verbessert werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn auf der dem Substrat abgewandten Seite des Druckkörpers oder in Ausnehmungen auf der dem Substrat abgewandten Seite des Druckkörpers und aus diesen Ausnehmungen hervorragend ein erster Elastomerkörper angeordnet ist. Dieser erste Elastomerkörper kann hierbei teilweise oder vollständig die Druckeinleitung auf den Druckkörper bewirken.
Es kann besonders bevorzugt sein, wenn die Druckelemente an ihrer dem Substrat zugewandten Seite oder in Ausnehmungen an ihrer dem Substrat zugewandten Seite und aus diesen Ausnehmungen hervorragend jeweils einen zweiten Elastomerkörper aufweisen, dessen dem Substrat zugewandte Kontaktfläche auf die Druckeinleitfläche des Substrat Druck ausübt. Hierdurch können auf besonders einfache Weise Auswirkungen von Materialtoleranzen des Druckkörpers, die zu unterschiedlichen Längen der Druckelemente führen, ausgeblichen werden. Ohne diesen Ausgleich können einzelne von mehreren Druckelementen eines Druckkörpers möglicherweise nicht oder nicht ausreichend Druck auf das Substrat ausüben.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn der Druckkörper ein Druckvermittlungselement aufweist, das dazu ausgebildet ist den Druck vom Druckeinleitkörper aufzunehmen und auf eine Mehrzahl von Druckvermittlungsstellen auf den Druckgrundkörper weiterzuleiten. Hierdurch wird die Homogenität der Druckeinleitung auf das Substrat verbessert.
Es könnte auch bevorzugt sein, wenn zwischen dem Druckkörper und dem Druckeinleitkörper ein Federelement, vorzugsweise ein metallisches Federelement, vorzugsweise eine Schraubenfeder oder ein Stapel aus Tellerfedern, angeordnet ist. Dieses Federelement oder bevorzugt mehrere Federelemente können hierbei in oder auf einem Haltemittel angeordnet sein. Das Haltemittel und das mindestens eine Federelement bilden bevorzugt eine bauliche Einheit. Zudem kann das Haltemittel den Druck des Federelements auf mindestens zwei Stellen des Druckgrundkörpers weiterleiten, was wiederum die Homogenität der Druckeinleitung verbessert.
Meist ist es bevorzugt, wenn der Druckkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht.
Alternativ kann es bei manchen Anwendungsfällen bevorzugt sein, wenn jeweils ein Druckkörper von mehreren, vorzugsweise parallel zum Substrat nebeneinander angeordneten, Druckkörpern und ein dem jeweiligen Druckkörper zugeordnetes Lastanschlusselement einstückig ausgebildet sind und jeweils aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen. In diesem Fall muss zumindest eines der Druckelemente, aber nicht notwendigerweise alle Druckelemente eines Druckkörpers, mit einer zugeordneten Leiterbahn einen elektrisch leitfähigen Kontakt aufweisen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem oben beschriebenen Leistungshalbleitermodul und mit einem Kühlbauteil, wobei das Substrat des Leistungshalbleitermoduls auf dem Kühlbauteil angeordnet ist, wobei der Druckeinleitkörper mit dem Kühlbauteil starr verbunden ist und in Richtung auf das Kühlbauteil zu Druck auf den Druckgrundkörper des Druckkörpers ausübt, der über die Druckelemente Druck auf die Druckeinleitflächen des Substrats ausübt und somit das Substrat in seiner Normalenrichtung thermisch leitend auf das Kühlbauteil drückt. Diese Leistungshalbleiteranordnung kann noch ein Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse mit dem Druckeinleitkörper entarten kann, wobei somit der Druckeinleitkörper das Gehäuse, oder zumindest einen Teil hiervon ausbildet.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die starre Verbindung zwischen dem Kühlbauteil und dem Druckeinleitkörper durch eine Schraubverbindung ausgebildet ist. Diese starre Verbindung kann unmittelbar, aber auch mittelbar, durch diese Schraubverbindung ausgebildet sein. Selbstverständlich sind gleichwirkende Alternativen, wie Klebeverbindungen, Nietverbindungen oder Schnapp- Rastverbindungen, ebenfalls möglich.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von oben genannten Leistungshalbleiteranordnungen, wobei die Leistungshalbleiteranordnungen gestapelt übereinander angeordnet sind.
Hierbei können jeweils benachbarte Leistungshalbleiteranordnungen über Kühlmittelzu- und Kühlmittelabflüsse der jeweiligen Kühlbauteile, die als Flüssigkeitskühlbauteile ausgebildet sind, miteinander verbunden sein.
In einer speziellen Ausgestaltung des Leistungshalbleitersystems kann innerhalb eines Stapels auch ein Teil einer in diesem Stapel auf eine Leistungshalbleiteranordnung folgende Leistungshalbleiteranordnung den Druckeinleitkörper ausbilden. Insbesondere kann ein Kühlbauteil der folgenden Leistungshalbleiteranordnung den Druckkörper der darunter angeordneten Leistungshalbleitereinrichtung ausbilden.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale oder Gruppen von Merkmalen, insbesondere der Druckkörper, mehrfach in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhanden sein.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, unabhängig davon ob sie im Rahmen der Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls, der Leistungshalbleiteranordnung oder des Leistungshalbleitersystems genannt sind, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 11 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt schematisch in zweidimensionaler Explosionsansicht eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
2 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung eines Druckelements analog der ersten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
3 zeigt schematisch in zweidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
4 zeigt eine Ausbildung eines Substrats der zweiten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
5 zeigt schematisch in dreidimensionaler Explosionsansicht wesentliche Teile einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
6 zeigt schematisch in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
7 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung einer weiteren Ausgestaltung eines Druckelements.
8 zeigt schematisch in zweidimensionaler Ansicht eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
9 zeigt eine Ausbildung eines Substrats der fünften Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
10 zeigt in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung.
11 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht drei Leistungshalbleiteranordnungen die ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitersystem ausbilden.

1 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Explosionsansicht eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls 1, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist hier ein fachübliches Substrat 2 mit einem isolierenden Grundkörper 20, beispielhaft aber nicht einschränkend eine Isolierkeramik, auf. Auf diesem Grundkörper 20 sind, auf der dem Kühlbauteil 8 abgewandten Seite Leiterbahnen 22 angeordnet. Auf diesen Leiterbahnen 22 sind insbesondere fachübliche Leistungshalbleiterbauelemente 3 angeordnet und schaltungsgerecht miteinander oder mit anderen Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin fachübliche Anschlusselemente 5, hier dargestellt sind zwei Lastanschlusselemente 50, auf, wovon eines mit der in dieser Schnittansicht sichtbaren Leiterbahn 22 elektrisch leitend verbunden ist.
Zur thermischen Anbindung des Substrats 2 an ein Kühlbauteil 8 weist das Leistungshalbleitermodul 1 einen Druckkörper 4 und einen Druckeinleitkörper 6 auf. Der Druckkörper 4 ist hier ein starrer Kunststoffformkörper mit einem Druckgrundkörper 40 und von diesem in Normalenrichtung N des Substrats 2 wegstehenden Druckelementen 42. Der Druckgrundkörper 40 und die Druckelemente 42 bilden ein Bauteil, sind also einstückig ausgebildet. Der Druckgrundkörper 40 weist auf seiner dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf. In diesen Ausnehmungen ist jeweils ein erster Elastomerkörper 44 derart angeordnet, dass er aus der Ausnehmung hervorsteht. Der jeweilige erste Elastomerkörper 44 wirkt als ein dauerelastischer Federkörper, der bevorzugt aus einem silikonbasierten Elastomer, beispielhaft aus einem sog. liquid silicon rubber, ausgebildet sein kann.
Die Druckelemente 42 sind dazu vorgesehen nach der Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 auf dem Kühlbauteil 8 auf Leiterbahnen 22 des Substrats 2, idealerweise eng benachbart zu den Leistungshalbleiterbauelementen zu drücken. Bevorzugt ist es, wenn neben zwei einander gegenüberliegenden Kanten jeweils die Druckeinleitflächen des Substrats 2 angeordnet sind, auf die die Druckelemente 42 Druck auf das Substrat 2, hier genauer auf die Leiterbahn 22 des Substrats 2, ausüben. Hierbei wird das Substrat 2 derart auf das Kühlbauteil 8 gedrückt, dass der thermische Kontakt des Leistungshalbleiterbauelements 3 zum Kühlbauteil 8 hervorragen ausgebildet ist, insbesondere, wenn hierbei berücksichtigt wird, dass das Substrat eine wärmespritzende Wirkung aufweist.
Die Druckeileitung auf den Druckkörper 4 erfolgt über die ersten Elastomerkörper 44 und wird durch einen Druckeinleitkörper 6 erzeugt. Dieser Druckeinleitkörper 6 ist hierzu ebenfalls starr und in dieser Ausgestaltung als Kunststoffformkörper ausgebildet und mittels Schrauben 82 mit dem Kühlbauteil 8, genauer dort angeordneten Schraubausnehmungen 80 verbunden. Der Druckeinleitkörper 6 weist bei dieser Ausgestaltung von einer Innen- zu einer Außenseite hindurchreichend Aussparungen 600 zur Durchführung von Anschluss-, hier dargestellt von Lastanschlusselementen 50, auf.
Durch die Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 auf dem Kühlbauteil 8, wobei hier der Druckeinleitkörper 5 fest mit dem Kühlbauteil 8 verbunden wird, wird eine Druckkaskade 70, 72, 74 ausgebildet, die vom Druckeinleitkörper 6 über die ersten Elastomerkörper 44 auf den Druckkörper 4, über dessen Druckelemente 42 auf das Substrat 2 reicht und somit diese auf das Kühlbauteil 8 drückt, wodurch letztendlich die in den Leistungshalbleiterbauelementen 3 im Betrieb entstehende Wärme effizient auf das Kühlbauteil 8 abgeführt werden kann.
Zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlbauteil 8 ist bei dieser Ausgestaltung noch eine wärmeleitende Schicht 800 angeordnet, die geringfügige Toleranzen in der jeweiligen Oberflächenbeschaffenheit der beiden Kontaktpartner ausgleicht.
2 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung eines Druckelements 4 analog der ersten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls. Der Druckkörper 4 weist einen Druckgrundkörper 40 und von diesem wegstehende Druckelemente 42 auf. Auf der diesen Druckelementen 42 abgewandten Seite, vgl. 1 weist der Druckgrundkörper 40 Ausnehmungen und in diesen Ausnehmungen jeweils erste Elastomerkörper 44 auf. Diese ersten Elastomerkörper 44 stehen aus den Ausnehmungen hervor und weisen eine Kontaktfläche 440 zu Druckeinleitung mittels eines Druckeinleitkörpers 6 auf. Weiterhin weist dieser Druckkörper 4 Aussparungen 406 zur Durchführung von Anschluss-, hier von Hilfsanschlusselementen, beispielhaft Steueranschlusselementen zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente, vgl. 1, auf.
3 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Schnittansicht, entlang einer Linie A-A gemäß 4, eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Kühlbauteil 8, das Substrat 2 und in der grundsätzlichen Ausgestaltung auch der Druckeinleitkörper 6 entsprechen den entsprechenden Komponenten, wie sie in 1 dargestellt sind.
Zwischen dem Druckeinleitkörper 6 und dem Druckkörper 4, der hier auf seiner den Druckeinleitkörper 6 zugewandten Seite keinen ersten Elastomerkörper aufweist, sind hier zwei Federelemente 46 angeordnet, die hier jeweils als Stapel von metallischen Tellerfedern 460 ausgebildet sind. Selbstverständlich sind hier Mittel vorzusehen, die nicht dargestellt, aber notwendig sind diese Tellerfedern 460 in der jeweiligen Position zu fixieren und gleichzeitig eine Bewegung zu ermöglich. Dies kann beispielhaft mittels eines Dorns durch die Mittenausnehmungen der Tellerfedern erfolgen.
Der Druckkörper 4 dieser zweiten Ausgestaltung weist wiederum einen Druckgrundkörper 40 und von diesem in Normalenrichtung N des Substrats 2 wegstehende Druckelemente 42 auf. Der Druckkörper 4 mit dem Druckgrundkörper 40 und den Druckelementen 42 ist wiederum als starrer Kunststoffformkörper einstückig ausgebildet. An den jeweiligen Enden der Druckelemente 42 sind zweite Elastomerkörper 420 angeordnet. Diese können im Herstellungsprozess des Druckkörpers 40 direkt mit diesem ausgebildet werden. Diese zweiten Elastomerkörper 420 dienen vornehmlich der Kompensation von herstellungsbedingten Unterschieden insbesondere der Länge der Druckelemente 42. Insbesondere können diese zweiten Elastomerkörper 420 auch dem Ausgleich einer inhomogenen, an der Position der Federelemente 46 stärkeren, Druckeinleitung durch den Druckeileitkörper 6 auf den Druckkörper 4 dienen.
4 zeigt eine Ausbildung eines Substrats 2 der zweiten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls. Dargestellt ist der isolierende Grundkörper 20 des Substrats 2 und drei hierauf angeordnete und voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen 22. Auf zwei dieser Leiterbahnen sind in einer 2 x 3 Matrix Leistungshalbleiterbauelemente 3 angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung eines Substrats 2 einer Halbbrückenschaltung ist durchaus fachüblich.
Weiterhin dargestellt sind elektrische Lastanschlussflächen 250, 252, 254, die der elektrisch leitenden Verbindung der jeweiligen Leiterbahn 22 mit einem zugeordneten Lastanschlusselement 5, 50, vgl. 3, dienen. Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 einer Leiterbahn 22 sind jeweils nebeneinander in einer Reihe angeordnet. In diese Reihe und jeweils auf beiden Seiten seitlich neben den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementen 3 sind Druckeinleitflächen 220 auf den jeweiligen Leiterbahnen 22 dargestellt. Auf diesen Druckeinleitflächen 220 kommen die zugeordneten Druckelemente 42, bzw. diesen zugeordnete zweite Elastomerkörper 420, des Druckkörpers 4 zu liegen und üben dort Druck in Normalenrichtung des Substrats 2 auf diese aus. Die jeweils zwischen zwei Leistungshalbleiterbauelementen 3 angeordneten Druckeinleitflächen 220 sind den jeweils benachbarten Leistungshalbleiterbauelementen 3 gemeinsam zugeordnet. Zwei weitere Druckeinleitflächen 220 sind auf einer Leiterbahn 22 angeordnet, die keine Leistungshalbleiterbauelemente trägt.
5 zeigt schematisch in dreidimensionaler Explosionsansicht einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ohne einen Druckeinleitkörper. Dargestellt ist wiederum ein Substrat 2 mit drei elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, jeweils wiederum mit einer Lastanschlussfläche 250, 252, 254. Zwei der Leiterbahnen 22 tragen in Reihe angeordnete Zweiergruppen, gebildet aus einem Transistor und einer Diode, von Leistungshalbleiterbauelementen 3. Somit sind die Leistungshalbleiterbauelemente 3 hier in einer 5 x 4-Matrixstruktur angeordnete.
Weiterhin dargestellt sind die Druckeinleitflächen 220 die wiederum auf den Leiterbahnen 22 des Substrats 2 angeordnet sind. Hierbei sind den Druckeinleitflächen 220 der mit Leistungshalbleiterbauelementen 3 bestückten Leiterbahnen 22 jeweils vier Leistungshalbleiterbauelemente 3 zugeordnet.
Weiterhin dargestellt ist ein im Grunde starrer Druckkörper 4 mit einer Mehrzahl von Druckelementen 42. Dieser Druckkörper 4 weist zwei einstückig mit dem Druckkörper ausgebildete Druckvermittlungselemente 408 auf. Auf diese Druckvermittlungselemente 408 wird mittels jeweils einer Schraubenfeder 462 Druck eingeleitet. Diese Druckvermittlungselemente 408 sind derart mit dem Druckgrundkörper 40 verbunden, dass der Druck an zwei Druckvermittlungsstellen 410 auf den Druckgrundkörper 40 eingeleitet wird. Somit wird insgesamt die Druckeinleitung mittels des Druckkörpers 4 und dessen Druckelementen 42 auf das Substrat 2 möglichst homogen ausgebildet.
Die Druckübertragung vom nicht dargestellten Druckeinleitkörper erfolgt mittels Federelementen 46, die hier als Schraubenfedern ausgebildet sind. Weiterhin sind Anschlusselement, hier Hilfsanschlusselemente, ausgebildet als Kontaktfedern, dargestellt.
Diese Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls weist weiterhin einen Führungsrahmen 62 auf. Dieser weist Positionierelemente zu seiner Lagefixierung auf einem Kühlbauteil auf und dient im Übrigen der Führung des Druckkörpers 4. Der Druckkörper 4 kann sich in dem Führungsrahmen 62 in Normalenrichtung N des Substrats 2 und nur minimal orthogonal hierzu bewegen Die Funktion des Führungsrahmens 62 kann in anderen Ausgestaltungen des Leistungshalbleitermoduls beispielhaft auch durch den Druckeinleitkörper erfolgen.
6 zeigt schematisch in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Diese ähnelt demjenigen gemäß der dritten Ausgestaltung, weist allerdings noch ein Haltemittel 48 für die Federelemente 46, die hier wiederum als Schraubenfedern 462 ausgebildet sind, auf. Hierbei sind zwei Federelemente 46 zur Druckeinleitung auf den Druckkörper 4 an dem Haltemittel 48 mechanisch, hier mittels eine Schnappeinrichtung, fixiert. An dem Haltemittel 48 können, wie hier dargestellt, auch weitere Federelemente angeordnet sein, die beispielhaft Druck auf Lastanschlusselemente 50, 52, 54 ausüben, um diese gegen Lastanschlussflächen, vgl. 5, des Substrats 2 zu drücken.
7 zeigt in dreidimensionaler Ansicht, aus Richtung des Substrats, eine konkrete Ausbildung einer weiteren Ausgestaltung eines Druckkörpers 4. Dieser Druckkörper 4 weist, gegenüber dem in 5 dargestellten, Druckelemente 42 auf, die gegenüber dem Druckgrundkörper 40 beweglich sind. Diese Beweglichkeit, die im Wesentlichen in Normalenrichtung des Substrats gegeben ist, wird erreicht, indem der Druckgrundkörper 40 Freisparungen 404 aufweist, in die Zungen 402 mit daran angeordneten Druckelementen 42 hineinreichen.
In dieser Ausführungsform ist jeweils eine Zunge 402 einem Druckelement 42 zugeordnet, es könnten aber auch weiter bevorzugt zwei oder drei Zungen je Druckelement sein. Über die Querschnittsfläche, wie auch über die Länge, der jeweiligen Zunge kann zudem die Federkraft dieser Zunge eingestellt werden. So können beispielhaft die Zungen im Zentrum eine geringere Federkraft aufweisen als diejenigen im Randbereich des Druckköpers.
8 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Schnittansicht, entlang einer Linie B gemäß 9, eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Kühlbauteil 8, das Substrat 2 und der Druckeinleitkörper 6 entsprechen in wesentlichen Merkmalen denjenigen gemäß 1 und 3.
Der Druckkörper 4 besteht hier allerdings aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff. Zudem ist der Druckkörper 4 hier mit einem Lastanschlusselement 5 einstückig ausgebildet. Derjenige Teil des Druckkörpers 4, der das Lastanschlusselement 5 ausbildet reicht in dieser Ausgestaltung durch eine von der Innen- zur Außenseite hindurchreichend Aussparungen zu externen Kontaktierung hindurch.
Zwischen dem Druckeinleitkörper 6 und dem Druckkörper 4 ist hier wiederum ein erster Elastomerkörper 44 angeordnet. Diese erste, hier großflächig ausgebildete, Elastomerkörper 44 ist hier stoffschlüssig mit dem Druckkörper 4, genauer mit der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche des Druckgrundkörpers 40 verbunden.
Die Druckelemente 42 des Druckkörpers 4 drücken einerseits das Substrat 2 in dessen Normalenrichtung auf das Kühlbauteil 8 und bilden gleichzeitig die elektrischen Kontaktelemente des Lastanschlusselements 5 aus.
9 zeigt eine Ausbildung eines Substrats 2 der fünften Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls mit Druckkörpern 4 gemäß 8. Das Substrat 2 mit den hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 3 ist grundsätzlich identisch demjenigen Substrat 2 gemäß 4. Allerdings fallen bei dieser Ausgestaltung die Lastanschlussflächen 250 und die Druckeinleitflächen 220 zusammen. Die jeweiligen Druckelemente 42 drücken wie unter 8 bereits beschrieben auf diese Druckeinleitflächen 220 zur thermischen Verbindung des Substrats 2 mit einem Kühlbauteil und andererseits zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Leiterbahn 22 des Substrats 2. Die senkrecht zur Normalenrichtung des Substrats 2 nebeneinander angeordneten Druckkörper 4 bilden also jeweils gleichzeitig mit der Druckfunktionalität auch die elektrische Verbindung zwischen einer zugeordneten Leiterbahn 22 und einem externen Lastanschluss aus.
10 zeigt in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung 10. Dargestellt ist ein Kühlbauteil 8 auf dessen Kühlfläche drei Leistungshalbleitermodule 1, genauer deren Substrate 2, nebeneinander angeordnet sind. Dargestellt sind die Leistungshalbleitermodule 1 hier ohne Druckeinleiteinrichtung. Das Kühlbauteil 8 weist vier Kühlanschlusseinrichtungen für eine Kühlflüssigkeit auf, die fachüblich ausgebildet sind als jeweils ein Vorlaufzu-102 und ein Vorlaufabfluss 104 sowie als ein Rücklaufzu- 106 und ein Rücklaufabfluss 108.
11 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht drei Leistungshalbleiteranordnungen 10 die ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitersystem 100 ausbilden. Die Leistungshalbleiteranordnungen 10 sind hier ausgebildet wie unter 10 beschrieben und weisen zusätzlich ein Gehäuse 60 aus einem Kunststoffformkörper auf, das hier gleichzeitig als Druckeinleiteinrichtung 6 wirkt.
Durch das übereinander Stapeln der Leistungshalbleiteranordnungen 10 zum Leistungshalbleitersystem 100 kommt der Vorlaufzufluss 102 des über einer anderen Leistungshalbleiteranordnung angeordneten unmittelbar darunter angeordneten Leistungshalbleiteranordnung auf dem Vorlaufabfluss 104 dieser Leistungshalbleiteranordnung zu liegen. Gleiches gilt für die Rücklaufzu- 106 und Rücklaufabflüsse 108. Somit wird alleine durch die Anordnung der Leistungshalbleiteranordnungen 10 zum Leistungshalbleitersystem 100 auch die Kühlflüssigkeitsführung ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012206264 A1 [0002]

Claims

Leistungshalbleitermodul (1), zur Anordnung auf einem Kühlbauteil (8), mit elektrischen Anschlusselementen (5), mit einem Substrat (2) zur Anordnung auf dem Kühlbauteil (8), mit einem Druckkörper (4) und mit einen Druckeinleitkörper (6), wobei das Substrat (2) einen Substratkörper (20) und eine Mehrzahl von Leiterbahn (22) aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen (22) ein Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, wobei der Druckkörper (4) einen Druckgrundkörper (40) und von diesem in Richtung auf das Substrat (2) wegstehende Druckelemente (42) aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2), die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, Druck auf das Substrat (2) in Richtung auf das Kühlbauteil (8) auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper (6) auf den Druckkörper (4) eingeleitet wird.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei einer Druckeinleitfläche (220) mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente (3) zugeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2) auf dem Substratkörper (20) oder auf einer Leiterbahn (22) oder in einer Vertiefung der Leiterbahn (22) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (3) auf einer Leiterbahn (22) und vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, wobei zwischen den in Reihe angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (3) jeweils eine Druckeinleitfläche (220) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Leiterbahnen (22) parallel zueinander angeordnet sind und bei vorhanden sein einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (3) auf der jeweiligen Leiterbahn (22) diese in Reihen nebeneinander hierauf angeordnet sind, wodurch die Leistungshalbleiterbauelemente (3) in einer N x M Matrixstruktur angeordnet sind mit N > 1 und M > 1.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Druckkörper (4) samt Druckelementen (42) starr ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Druckgrundkörper (40) des Druckkörpers (4) starr und mindestens eines der Druckelemente (42) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich oder federnd beweglich, ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite des Druckkörpers (4) oder in Ausnehmungen auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite des Druckkörpers (4) und aus diesen Ausnehmungen hervorragend ein erster Elastomerkörper (44) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckelemente (42) an ihrer dem Substrat (2) zugewandten Seite oder in Ausnehmungen an ihrer dem Substrat (2) zugewandten Seite und aus diesen Ausnehmungen hervorragend jeweils einen zweiten Elastomerkörper (420) aufweisen, dessen dem Substrat (2) zugewandte Kontaktfläche auf die Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2) Druck ausübt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (4) ein Druckvermittlungselement (408) aufweist, das dazu ausgebildet ist den Druck vom Druckeinleitkörper (6) aufzunehmen und auf eine Mehrzahl von Druckvermittlungsstellen (410) auf den Druckgrundkörper (40) weiterzuleiten.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Druckkörper (4) und dem Druckeinleitkörper (6) ein Federelement (46), vorzugsweise ein metallisches Federelement, vorzugsweise eine Schraubenfeder (462) oder ein Stapel aus Tellerfedern (460), angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12, wobei wobei das Federelement (46) in oder auf einem Haltemittel (48) angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, wobei wobei das Haltemittel (48) den Druck des Federelements (46) auf mindestens zwei Stellen des Druckgrundkörpers (40) weiterleitet.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (4) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils ein Druckkörper (4) von mehreren, vorzugsweise parallel zum Substrats nebeneinander angeordneten, Druckkörpern (4) und ein dem jeweiligen Druckkörper (4) zugeordnetes Lastanschlusselemente (50, 52, 54) einstückig ausgebildet sind und jeweils aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen.
Leistungshalbleiteranordnung mit einem Leistungshalbleitermodul 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Kühlbauteil (8), wobei das Substrat (2) des Leistungshalbleitermoduls (1) auf dem Kühlbauteil (8) angeordnet ist, wobei der Druckeinleitkörper (6) mit dem Kühlbauteil (8) starr verbunden ist und in Richtung auf das Kühlbauteil (8) zu Druck auf den Druckgrundkörper (40) des Druckkörpers ausübt, der über die Druckelemente Druck auf die Druckeinleitflächen (220) des Substrats (2) ausübt und somit das Substrat (2) in seiner Normalenrichtung (N) thermisch leitend auf das Kühlbauteil (8) drückt.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 17, wobei die starre Verbindung zwischen dem Kühlbauteil (8) und dem Druckeinleitkörper (6) durch eine Schraubverbindung (80, 82) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiteranordnungen nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Leistungshalbleiteranordnungen (10) gestapelt übereinander angeordnet sind.
Leistungshalbleitersystem nach Anspruch 19, wobei jeweils benachbarte Leistungshalbleiteranordnungen (10) über Kühlmittelzu-(102, 106) und Kühlmittelabflüsse (104, 108) der jeweiligen Kühlbauteile (8), die als Flüssigkeitskühlbauteile ausgebildet sind, miteinander verbunden sind.