DE102022129449A1

DE102022129449A1 - Leistungshalbleitermodul mit einer auf eine Schalteinrichtung einwirkenden Druckeinrichtung

Info

Publication number: DE102022129449A1
Application number: DE102022129449.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Oehling; Matthias Hager; Verena Gulitsch; Harald Kobolla
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08
Also published as: US20240153844A1; CN118016627A

Abstract

Vorgestellt wird ein Leistungshalbleitermodul mit einer Grundplatte, auf der ein Gehäuse und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung ein Substrat und eine Verbindungseinrichtung aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist, wobei auf einer Leiterbahn dieses Substrats eine Bauelementgruppe von Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist, die einen Gruppenmittelpunkt aufweist, und mit einer in Normalenrichtung des Substrats zur Druckausübung hierauf ausgebildeten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und einen Druckeinleitkörper aufweist, wobei aus dem Druckkörper ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Druckabschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und wobei der Druckeinleitkörper ein Druckübertragungsabschnitt mit einem Druckübertragungspunkt aufweist, der in Normalenrichtung näherungsweise mit dem Gruppenmittelpunkt fluchtet, wobei ein jeweiliger Befestigungsabschnitt des Druckeinleitkörpers zum Druckaufbau mittels mindestens zweier Befestigungsmittel, die mit jeweils einem zugeordnete Widerlager der Grundplatte zusammenwirken eingreift, gegen die Grundplatte abstützt.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einer Grundplatte, auf der ein Gehäuse und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung ein Substrat und eine Verbindungseinrichtung aufweist. Auf einer Leiterbahn dieses Substrats eine Bauelementgruppe von Leistungshalbleiterbauelementen, die vorzugsweise einen Leistungsschalter ausbilden angeordnet, die einen Bauelementgruppenmittelpunkt aufweist. In Normalenrichtung des Substrats ist hierüber ist eine Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und einen Druckeinleitkörper aufweist, wobei aus dem Druckkörper ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist. Das Druckelement drückt auf einen Druckabschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung.
Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE 10 2014 106 570 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul und eine Anordnung hiermit bekannt. Das Leistungshalbleitermodul ist ausgebildet 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 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 Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet ein Befestigungsmittel aufzunehmen, das das Leistungshalbleitermodul in der Anordnung auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig befestigt. Nachteilig hieran ist, dass das Substrat eine mittige Durchgangsöffnung aufweist, die einer kostengünstige Herstellung des Substrats entgegensteht.
Die DE 10 2017 117 667 A1 offenbart ein Leistungshalbleitermodul das ausgebildet ist mit einer Grundplatte, auf der ein Gehäuse und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung ein Substrat und eine Verbindungseinrichtung aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist, und , wobei auf einer Leiterbahn dieses Substrats ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und einen Druckeinleitkörper aufweist, wobei aus dem Druckkörper 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 einer Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist und wobei sich der Druckeinleitkörper mittels mindestens zweier Befestigungsmittel, die in Widerlager der Grundplatte eingreifen, gegen die Grundplatte abstützt und wobei die Widerlager, genauer dessen jeweiliges Zentrum, und der geometrische Mittelpunkt des Substrats auf einer Geraden angeordnet sind.
In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul, mit einer Grundplatte und mit mindestens einer Schalteinrichtung und einer hierauf eiwirkenden Druckeinrichtung vorzustellen, wobei die Druckeinleitung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer Grundplatte, auf der ein Gehäuse und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung ein Substrat und eine Verbindungseinrichtung aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist, wobei auf einer Leiterbahn dieses Substrats eine Bauelementgruppe von insbesondere mindestens drei Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet ist, die einen Gruppenmittelpunkt aufweist, und mit einer in Normalenrichtung des Substrats zur Druckausübung hierauf ausgebildeten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und einen Druckeinleitkörper aufweist, wobei aus dem Druckkörper ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Druckabschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und wobei der Druckeinleitkörper ein Druckübertragungsabschnitt mit einem Druckübertragungspunkt aufweist, der in Normalenrichtung näherungsweise mit dem Gruppenmittelpunkt fluchtet, wobei ein jeweiliger Befestigungsabschnitt des Druckeinleitkörpers zum Druckaufbau mittels mindestens zweier Befestigungsmittel, die mit jeweils einem zugeordnete Widerlager der Grundplatte zusammenwirken eingreift, gegen die Grundplatte abstützt.
Vorzugsweise bildet die Bauelementgruppe von Leistungshalbleiterbauelementen einen Leistungsschalter oder zumindest einen Teilleistungsschalter aus. Beispielhaft bilden zwei in Reihe angeordnete Leistungsschalter eine Halbrückenschaltung aus. Hierbei werden dann vorzugsweise alle Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungsschalters simultan angesteuert.
Unter dem Begriff „Druckübertragungspunkt“ soll hier und im Folgenden der Mittelpunkt einer Druckübertragungsfläche verstanden werden. Der Druckübertragungspunkt ist somit die mathematische Idealisierung dieser Druckübertragungsfläche.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Grundplatte als Teil einer Kühleinrichtung, insbesondere einer Flüssigkeitskühleinrichtung, ausgebildet ist.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von Substraten, bevorzugt alle Substrate, in Reihe angeordnet sind. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Substrat ein eigener Druckeinleitkörper zugeordnet. In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist einer Mehrzahl von, vorzugsweise allen, Substraten ein gemeinsamer Druckeinleitkörper zugeordnet. Dabei können zwischen zwei benachbarten Substraten angeordnete Befestigungsabschnitte zu einem gemeinsamen Befestigungsabschnitt zusammenfallen und vorzugsweise jeweils zugeordnete Widerlager zu einem gemeinsamen Widerlager zusammenfallen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Gruppenmittelpunkt aus der Lage der Leistungshalbleiterbauelemente einer Bauelementgruppe bestimmt wird als der geometrische Mittelpunkt oder als der Kraft-Mittelpunkt der Leistungshalbleiterbauelemente, vorzugsweise deren Bauelementzentren.
Der Kraft-Mittelpunkt wird bestimmt als derjenige Punkt von dem aus dar maximale Wert des Produkt aus Abstand und Leistungshalbleiterbauelementfläche zu diesem Punkt minimal und der maximale Wert dieses Produkt minimal wird. Diese Bestimmung vereinfacht sich für den Fall, dass alle Leistungshalbleiterbauelement identisch ausgebildet sind zu demjenigen Punkt, von dem aus der maximale Abstand eines Leistungshalbleiterbauelements minimal wird und der minimale Abstand maximal wird. In anderen Worten alle Leistungshalbleiterbauelemente sind in bei dieser Vereinfachung möglichst gleich weit entfernt.
Es kann alternativ vorteilhaft sein, wenn die Lage der Leistungshalbleiterbauelement einer Bauelementgruppe äquidistant oder gewichtet äquidistant zu einem vorbestimmten Mittelpunkt gewählt ist, wobei die Gewichtung vorzugsweise proportional zur Fläche des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement erfolgt.
Es kann bevorzugt sein, wenn das jeweilige Substrat rechteckig ausgebildet ist und die zugeordneten Widerlager nebeneinander gegenüberliegenden Seiten angeordnete sind und vorzugsweise mit jeweiligen Seitenmittelpunkten dieser Seiten auf einer Geraden angeordnet sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Druckeinleitkörper als ein flächiger, federelastischer Metallformkörper ausgebildet ist. Hierbei kann der Metallformkörper einen Verbindungsabschnitt zwischen zwei Befestigungsabschnitten aufweisen. Weiterhin kann der Druckübertragungsabschnitt als ein Teil des Verbindungsabschnitts ausgebildet ist oder als eine Mehrzahl von Druckübertragungsabschnitten, die seitlich von dem Verbindungsabschnitt wegstehen.
Besonders bevorzugt ist es dann, wenn die von dem jeweiligen Druckübertragungsabschnitt ausgeübte Druckkraft abhängig ist von mindestens einem der folgenden Parameter:

Anzahl der Leistungshalbleiterbauelementen der Bauelementgruppe, Art der Leistungshalbleiterbauelemente der Bauelementgruppe, summierte Stromtragfähigkeit aller Leistungshalbleiterbauelement der Bauelementgruppe.

Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn ein Mittelpunktabstand vom Gruppenmittelpunkt zum Druckübertragungspunkt kleiner ist als das 0,5-fache, bevorzugt als das 0,3-fach und insbesondere bevorzugt als das 0,15-fache, des Abstandes des Gruppenmittelpunkts zum Bauelementzentrum des am weitesten davon beanstandeten Leistungshalbleiterbauelements der Bauelementgruppe.
Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, wenn der jeweilige Abstand der Bauelementzentren aller Leistungshalbleiterbauelemente einer Bauelementgruppe zum Gruppenmittelpunkt um weniger als da 0,3-fache, bevorzugt als das 0,2-fach und insbesondere bevorzugt als das 0,1-fache vom mittleren (arithmetisches Mittel) Abstand abweicht. In anderen Worten liegen die Bauelementzentren auf einem Kreis um den Gruppenmittelpunkt und weichen von dieser Lage radial nur geringfügig, im angegebenen Rahmen, ab.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Druckübertragungspunkt in Normalenrichtung neben allen Leistungshalbleiterbauelementen einer Bauelementgruppe angeordnet ist, d.h. der Drückübertragungspunkt liegt nicht innerhalb der Bauelementfläche eines beliebigen Leistungshalbleiterbauelements der Bauelementgruppe.
Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn ein Abstand des Bauelementzentrums 264 jedes Leistungshalbleiterbauelements vom zugeordneten Druckübertragungspunkt mindestens dem 2-fachen, bevorzugt dem 3-fach der längeren Kantenlänge dieses Leistungshalbleiterbauelement beträgt.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn jeweils ein Druckabschnitt aus einer Mehrzahl von Druckabschnitten der Verbindungseinrichtung in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb einer Fläche eines jeweilig zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist, d.h. jedem Leistungshalbleiterbauelement ist mindestens, vorzugsweise genau ein Druckelement zugeordnet.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungseinrichtung als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der Druckkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, besteht.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement, mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul 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, 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 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in seitlicher Ansicht.
2 und 3 zeigen verschiedene Merkmal einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in Draufsicht.
4 zeigt nicht maßstäblich eine spezielle Ausgestaltung und eine Dimensionierung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in Draufsicht.
5 zeigt Merkmale einer detailliert dargestellten dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in dreidimensionaler Ansicht.

1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 mit einer Grundplatte 4 und mit einer auf der Grundplatte 4 angeordneten Schalteinrichtung 10 in seitlicher Schnittansicht. Dargestellt ist als Teil der Schaltungsanordnung 10 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 10 aufweisen. Konkret und beispielhaft dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen, wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind.
Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 26 angeordnet, das hier fachüblich als MOS-FET ausgebildet ist. Die Leistungshalbleiterbauelemente 26 sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit den Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 10 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem fachüblichen Folienverbund bzw. Folienstapel aus einer ersten elektrisch leitenden Folie 30, einer elektrisch isolierenden Folie 34 und einer zweiten elektrisch leitenden Folie 32. Diese Verbindungseinrichtung 3 verbindet insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, genauer dessen Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats 2. In bevorzugter Ausgestaltung sind jeweilig Leiterbahnabschnitte der Verbindungseinrichtung 3 mit zugeordneten Kontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente 260 mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können auf gleiche Weise und auch gleichzeitig Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen 260 und zwischen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche der ersten leitenden Folie 30 bildet hierbei eine erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende Oberfläche der zweiten leitenden Folie 32 eine zweite Hauptfläche 320 ausbildet.
Zur externen elektrischen Anbindung weist das Leistungshalbleitermodul 1, hier nicht explizit dargestellt, Last- und Hilfsanschlusselemente auf.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein Gehäuse 6 auf, das mit dem Substrat 2 mit einer Klebeverbindung verbunden ist und ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, wobei ein Teil des Gehäuses einen Rahmen ausbilden kann, der von einem weiteren Teil bedeckt wird. Eine insgesamt rahmenartige Ausgestaltung dieses Gehäuses 6 ist in 1 und auch in 5 dargestellt. Das Gehäuse 6 ist auf der Grundplatte 4 angeordnet und umschließt die Schalteinrichtung 10, wie auch eine in Normalenrichtung N des Substrats bewegliche Druckeinrichtung 5, die dazu ausgebildet ist auf die Schalteinrichtung 10 Druck auszuüben und somit die Schalteinrichtung 10 auf die Grundplatte 4 zu drücken.
Die Druckeinrichtung 5 weist einen Druckkörper 50 und einer Mehrzahl, dargestellt sind zwei, Druckelementen 52 auf. Der Druckkörper 50 ist besonders starr ausgebildet um auf ihn eingeleiteten Druck homogen auf die Druckelemente 52 weitergeben zu können. Hierzu und vor dem Hintergrund der thermischen Belastungen beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 1 besteht der Druckkörper 50 aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid. Die Druckelemente 52 müssen im Betrieb und hierbei insbesondere bei unterschiedlichen Temperarturen einen im Wesentlichen konstanten Druck ausüben können. Hierzu bestehen die Druckelemente 52 aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus sog. Flüssig-Silikon. Grundsätzlich sind hier alle Varianten der Druckeinrichtung 5, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind vorsehbar.
Die Druckeinrichtung 5 weist weiterhin einen Druckeinleitkörper 60 auf, der als flächiger, federelastischer Metallformkörper, ausgebildet. Dieser Druckeinleitkörper 60 stützt sich mittels zweier Befestigungsmittel 660, die in Widerlager 40 der Grundplatte 4 eingreifen gegen die Grundplatte 4 ab und drückt mittig am Druckeinleitpunkt 624 auf den Druckkörper 60. Hierzu liegt bei dieser Ausgestaltung, aber nicht notwendigerweise, der Druckeinleitkörper 60 an seinem beiden Befestigungsabschnitt 660 auf den Gehäuse 6 auf. Durch den jeweiligen Befestigungsabschnitte 660, wie auch durch das Gehäuse 6 ragt jeweils ein als Schraube ausgebildetes Befestigungsmittel 660. Diese Schraube greift in mit einem Innengewinde versehene Ausnehmungen der Grundplatte 4 ein, wobei diese Ausnehmungen die Widerlager 40 ausbilden.
Durch das Verschrauben der Befestigungsabschnitte 660 mit der Grundplatte 4 erzeugt der Druckeinleitkörper 60 mit seinem Druckübertragungsabschnitt 620 als ein Teil des Verbindungsabschnitts 62 einen Druck mittig am Druckeinleitpunkt 624 auf den Druckkörper 50.
Der Druck des Druckeinleitkörpers 60 wird mittels des Druckkörpers 50 und der Druckelemente 52 auf einen Abschnitt 322 einer zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 eingeleitet. Diese Einleitung erfolgt jeweils auf den Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320, der in Projektion entlang der Normalenrichtung N des Substrats 2 innerhalb der Fläche 266 des Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnet ist. Somit wird der Druck weitergeleitet, wodurch das Substrat 2 an den Positionen der Leistungshalbleiterbauelemente 260 besonders effektiv auf die Grundplatte 4 gedrückt wird. Hiermit erfolgt der Wärmeübergang von dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 260 auf die zur Kühlung und weiteren Wärmespreizung dienende Grundplatte 4 besonders wirksam.
2 und 3 zeigen verschiedene Merkmal einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 in Draufsicht, ohne dass das Gehäuse und die Anschlusseinrichtungen explizit dargestellt sind. Dargestellt ist eine Grundplatte 4 eines Leistungshalbleitermoduls 1 mit drei in Reihe angeordneten Schalteinrichtungen 10, ihrerseits bestehend aus jeweils einem rechteckig ausgebildeten Substrat 2, jeweils ausgebildet wie unter 1 beschrieben. Auch die nicht explizit dargestellte Verbindungseinrichtung ist wie unter 1 beschrieben ausgebildet. 3 ist hierbei eine vergrößerte Darstellung des rechten Teils der 2, nur ohne die Grundplatte 4.
Von der ersten, linken Schalteinrichtung 10 ist das Substrat 2 mit drei Leiterbahnen 22 dargestellt. Auf zwei der Leiterbahnen 22 sind jeweils beispielhaft zwei Leistungshalbleiterbauelemente 260 angeordnet. Die beiden Leistungshalbleiterbauelemente 260 je Leiterbahn 22 bilden ein Bauelementgruppe 26 und repräsentieren einen Leistungsschalter, hier als Teil einer Halbbrückenschaltung. Jede Bauelementgruppe 26 weist einen Gruppenmittelpunkt 262 auf. Bei dieser sehr einfachen Ausgestaltung fällt der geometrische Mittelpunkt mit dem Kraft-Mittelpunkt zusammen.
Von der zweiten, mittleren Schalteinrichtung 10 ist der Druckkörper 50 der Druckeinrichtung 5 mit jeweils einem Druckelement 52 dargestellt. Hierbei fluchtet das jeweilige Druckelement 52 in Normalenrichtung N des Substrats 2 mit dem zugeordneten Leistungshalbleiterbauelement 260. Die Normalenrichtung ragt hier aus der Zeichenebene heraus.
Von der dritten, rechten Schalteinrichtung 10 ist der Druckeinleitkörper 60 dargestellt, der als ein flächiger, federelastischer Metallformkörper ausgebildet ist, vgl. auch 5. Dieser Druckeinleitkörper 60 ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nur partiell dargestellt, reicht aber über alle drei Schalteinrichtungen 10 hinweg und weist eine Mehrzahl von Befestigungsabschnitten 66 auf, die mittels Schrauben 660, vergleichbar zu 1 in Widerlager der Grundplatte eingreifen. Die Befestigungsabschnitte 66 sind wie auch die zugeordneten Widerlager in Normalenrichtung N der Substrate 2 betrachtet neben einander gegenüberliegenden Seiten 206, 208 des rechteckigen Substrats 2 angeordnete und liegen mit jeweiligen Seitenmittelpunkten 216 dieser Seiten 206, 208 auf einer Geraden.
Zwischen zwei Befestigungsabschnitten 66 ist jeweils ein Verbindungsabschnitt 62 angeordnet. Von diesem Verbindungsabschnitt 62 stehen senkrecht zwei Druckübertragungsabschnitte 622 weg, die als Teil des flächigen, federelastischen Metallformkörpers und somit einstückig mit dessen anderen Abschnitten ausgebildet sind. Jeder Druckübertragungsabschnitt 622 weist einen Druckübertragungspunkt 624 auf, der auch bei der zweiten Schalteinrichtung 10 dargestellt ist. Dieser Druckübertragungspunkt 624 soll erfindungsgemäß und in Normalenrichtung N des jeweiligen Substrats 2 betrachtet möglichst nahe dem Gruppenmittelpunkt 262 der Bauelementgruppe 26 aus Leistungshalbleiterbauelementen 260 sein. Allerdings fluchten, ebenfalls erfindungsgemäß, der Druckübertragungspunkt 624 und der Gruppenmittelpunkt 262 nur näherungsweise und somit fallen sie nicht zusammenfallen bzw. fluchten nicht exakt zueinander. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand des Druckübertragungspunkts 624 zum Gruppenmittelpunkt 262, also der Mittelpunktabstand 640, vgl. 4, kleiner ist als das 0,3-fache des Abstandes des Gruppenmittelpunkts 262 zum Bauelementzentrum 264, in diesem Ausführungsbeispiel beider, Leistungshalbleiterbauelement 260 der Bauelementgruppe 26.
Zudem ist der Druckübertragungspunkt 624 in Normalenrichtung N betrachtet neben allen Leistungshalbleiterbauelementen 260 einer Bauelementgruppe 26 angeordnet ist. Der Druckübertragungspunkt 624 liegt somit nicht in Normalenrichtung N betrachtet neben jedem der, hier zwei, Leistungshalbleiterbauelemente 260.
4 zeigt nicht maßstäblich eine spezielle Ausgestaltung und eine Dimensionierung einer Bauelementgruppe 26 eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in Draufsicht. Dargestellt sind hier fünf Leistungshalbleiterbauelemente 260 angeordnet in einem Pentagon, wobei die Größe der Leistungshalbleiterbauelemente nicht maßstäblich zu den sonstigen Dimensionen ist. Vielmehr sind die Leistungshalbleiterbauelemente 260 hier geringfügig zu klein dargestellt. 5 zeigt demgegenüber eine maßstäbliche Ausgestaltung. Dennoch gilt auch hier, dass der Druckübertragungspunkt 64 in Normalenrichtung N neben allen Leistungshalbleiterbauelementen 260 einer Bauelementgruppe 26 angeordnet ist.
Alle Leistungshalbleiterbauelemente 260, genauer deren Bauelementzentren 264, der Gruppe 26 liegen in dieser Ausgestaltung auf einem Kreis um den Gruppenmittelpunkt 262. Erfindungsgemäß darf die Lage auf diesem gedachten Kreis radial begrenzt abweichen. Dies bedeutet nicht, dass eine Abweichung der Lage eines der Leistungshalbleiterbauelemente 260 nur radial erfolgen darf, allerdings besteht für diese radiale Abweichung eine Beschränkung.
Weiterhin dargestellt ist ein Druckübertagungspunkt 624 und dessen Mittelpunktabstand 640 vom Gruppenmittelpunkt 26. Dieser Mittelpunktabstand 640 beträgt hier ungefähr das 0,3-fach des Abstandes des Gruppenmittelpunkts 262 zum Bauelementzentrum 264 des am weitesten davon beanstandeten Leistungshalbleiterbauelements 260 der Bauelementgruppe 26.
5 zeigt Merkmale einer detailliert dargestellten dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 in dreidimensionaler Ansicht. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist eine Grundplatte 4auf, die hier als ein Flüssigkeitskühlkörper ausgebildet ist. Auf dieser Grundplatte 4 ist ein rahmenartiges Gehäuse 6 angeordnet, das vier in Reihe angeordnete Schalteinrichtung 10 lateral umschließt. Dies Schalteinrichtungen 10 weisen, wie oben beschrieben, jeweils ein Substrat 2 und eine Verbindungseinrichtung 3 auf.
Auf jeweils einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 aller, von oben gezählt, ersten drei Schalteinrichtungen 10 sind fünf Leistungshalbleiterbauelemente 260 angeordnet, die eine Bauelementgruppe 26 mit einem Gruppenmittelpunkt 262 und einen Leistungsschalter ausbilden. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 260 sind hier als Leistungs-MOS-FETs ausgebildet. Jede dieser drei Schalteinrichtungen 10 sind im Übrigen identisch ausgebildet und bilden jeweils ein Halbbrückenschaltung. Diese drei Halbrückenschaltungen bilden eine Drei-Phasen-Brückenschaltung zum Laststromversorgung eines Elektromotors eines damit angetriebenen Straßenfahrzeugs, vorzugsweise zur Personenbeförderung. Die vierte Schalteinrichtung 10 ist dazu ausgebildet sonstige stromrichtende Aufgaben auszuführen.
Die, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte, Verbindungseinrichtung der ersten drei Schalteinrichtungen 10 ist im Grunde wie unter 1 beschrieben als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie (30,32,34) ausgebildet.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin eine Druckeinrichtung 5 auf, die je Schalteinrichtung einen Druckkörper (50), wobei dieser Druckkörper 50 je Bauelementgruppe 26 fünf Druckelement (52), eines je Leistungshalbleiterbauelement 260 aufweist. Diese Druckelemente 52 sind in den dargestellten Ausnehmungen angeordnet und rage in Richtung auf die Verbindungseinrichtung und damit in Richtung auf das zugeordnete Leistungshalbleiterbauelement 260 aus dem Druckkörper heraus, stehen also daraus entsprechend hervor. Der Druck erfolgt wie unter 1 beschrieben auf den jeweiligen Druckabschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3.
Weiterhin weist die Druckeinrichtung 5 des Leistungshalbleitermoduls 1 einen allen, Schalteinrichtungen 10 und damit auch deren Substraten 2 gemeinsamen Druckeinleitkörper 60 auf, der als ein flächiger, federelastischer Metallformkörper ausgebildet. Dieser Druckeinleitkörper 60 weist eine Mehrzahl von Befestigungsabschnitten 66 auf, die jeweils mit einem Verbindungsabschnitt 62 verbunden sind. Die Befestigungsabschnitte und die dort angeordnete Befestigungsmittel 660, hier Schrauben, wirken mit Widerlagern, hier Schraublöchern der Grundplatte 4 zusammen.
Die zwischen zwei benachbarten Schalteinrichtungen 10, bzw. Substraten 2 angeordnete Befestigungsabschnitte 66 fallen zu einem gemeinsamen Befestigungsabschnitt zusammen. Gleiches gilt für die jeweils zugeordnete Widerlager 40, die zu einem gemeinsamen Widerlager zusammenfallen.
Bei dieser Ausgestaltung sind die jeweiligen Substrate 2, die jeweils Teil einer Schalteinrichtung 10 sind, rechteckig ausgestaltet. Die jeweiligen Widerlager sind somit neben einander gegenüberliegenden Seiten der Substrate 2 angeordnete.
Weiterhin weist der Druckeinleitkörper 60 je Schalteinrichtung 10 zwei Druckübertragungsabschnitte 622, die seitlich von den Verbindungsabschnitten 62 wegstehen. Diese Druckübertragungsabschnitt 622 sind integralere Bestandteile des Druckeinleitkörpers 60. Alle Abschnitte, also die Befestigungsabschnitt 66, die Verbindungsabschnitte 62 und die Druckübertragungsabschnitte 622 gemeinsam bilden somit den einstückigen Druckeinleitkörper 60 aus.
Jeder Druckübertagungsabschnitt 622 weist einen Druckübertragungspunkt 624 auf. Dieser Druckübertragungspunkt 624 fluchtet, der in Normalenrichtung N, hier der z-Richtung, betrachtet näherungsweise mit dem Gruppenmittelpunkt 262 der Leistungshalbleiterbauelemente 260.
Die Lage des Druckübertragungspunkts 624 zum Gruppenmittelpunkt 262, betrachtet in Normalenrichtung N, gehorcht sowohl der Bedingung, dass der Mittelpunktabstand 640 vom Gruppenmittelpunkt 262 zum Druckübertragungspunkt 624 kleiner ist als das o.g. Vielfache des Abstandes des Gruppenmittelpunkts 262 zum Bauelementzentrum 264 des am weitesten davon beanstandeten Leistungshalbleiterbauelements 260 der Bauelementgruppe 26.
Ebenso gehorcht es der Bedingung, dass der jeweilige Abstand 642 der Bauelementzentren 264 aller Leistungshalbleiterbauelemente 260 einer Bauelementgruppe 26 zum Gruppenmittelpunkt 262 um weniger als ein o.g. Vielfaches vom mittleren Abstand abweicht.
Der Druckübertragungspunkt 624 ist in Normalenrichtung N betrachtet neben allen Leistungshalbleiterbauelementen 260 einer Bauelementgruppe 26 angeordnet, so dass der Abstand 644 des Bauelementzentrums 264 jedes Leistungshalbleiterbauelements 260 vom zugeordneten Druckübertragungspunkt 624 in Bezug auf die längere Kantenlänge dieses Leistungshalbleiterbauelement 260 begrenzt ist.
Die von dem jeweiligen Druckübertragungsabschnitt 622 am Druckübertragungspunkt 624 ausgeübte Druckkraft ist abhängig ist von mindestens einem der folgenden Parameter: Anzahl der Leistungshalbleiterbauelemente 260 der Bauelementgruppe 26, Art der Leistungshalbleiterbauelemente 260 der Bauelementgruppe 26, summierte Stromtragfähigkeit aller Leistungshalbleiterbauelement der Bauelementgruppe. Deshalb sind der der vierten Schalteinrichtung 10 zugeordnete Verbindungsabschnitt 62 und die hiervon wegestehenden Druckübertragungsabschnitt 622 unterschiedlich zu den übrigen ausgebildet. Im Konkreten Fall ist hier die über die jeweiligen Druckübertragungsabschnitte 622 eingeleitet Kraft geringer als bei den ersten drei Schalteinrichtungen.
Weiterhin dargestellt sind fachübliche Last- und Hilfsanschlusselemente. Die Gleichspannungslastanschlusselemente 70,72 sind flächig ausgebildet und für Schweißverbindungen vorgesehen. Gleiches gilt für die Wechselspannungsanschlusselemente 74. Die Hilfsanschlusselemente 76 sind als Press-Pin-Anschlusselemente ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014106570 A1 [0002]
DE 102017117667 A1 [0003]

Claims

Leistungshalbleitermodul (1) mit einer Grundplatte (4), auf der ein Gehäuse (6) und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung (10) angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung (10) ein Substrat (2) und eine Verbindungseinrichtung (3) aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche (300, 320) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) dieses Substrats (2) eine Bauelementgruppe (26) von insbesondere mindestens drei Leistungshalbleiterbauelementen (260) angeordnet ist, die einen Gruppenmittelpunkt (262) aufweist, und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) zur Druckausübung hierauf ausgebildeten Druckeinrichtung (5), die einen Druckkörper (50) und einen Druckeinleitkörper (60) aufweist, wobei aus dem Druckkörper (50) ein Druckelement (52) hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement (52) auf einen Druckabschnitt (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung (3) drückt und wobei der Druckeinleitkörper (60) ein Druckübertragungsabschnitt (620,622) mit einem Druckübertragungspunkt (624) aufweist, der in Normalenrichtung (N) näherungsweise mit dem Gruppenmittelpunkt (262) fluchtet, wobei ein jeweiliger Befestigungsabschnitt (66) des Druckeinleitkörpers zum Druckaufbau mittels mindestens zweier Befestigungsmittel (660), die mit jeweils einem zugeordnete Widerlager (40) der Grundplatte (4) zusammenwirken eingreift, gegen die Grundplatte (4) abstützt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die Grundplatte (4) als Teil einer Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Substraten (2) in Reihe angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, wobei jedem Substrat (2) ein eigener Druckeinleitkörper (60) zugeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, wobei einer Mehrzahl von, vorzugsweise allen, Substraten (2) ein gemeinsamer Druckeinleitkörper (60) zugeordnet ist und zwischen zwei benachbarten Substraten (2) angeordnete Befestigungsabschnitte (66) zu einem gemeinsamen Befestigungsabschnitt zusammenfallen und vorzugsweise jeweils zugeordnete Widerlager (40) zu einem gemeinsamen Widerlager zusammenfallen.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gruppenmittelpunkt (262) aus der Lage der Leistungshalbleiterbauelemente (260) einer Bauelementgruppe (26) bestimmt wird als der geometrische Mittelpunkt oder als der Kraft-Mittelpunkt der Leistungshalbleiterbauelemente (260).
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lage der Leistungshalbleiterbauelement (260) einer Bauelementgruppe (26) äquidistant oder gewichtet äquidistant zu einem vorbestimmten Gruppenmittelpunkt (262) gewählt ist, wobei die Gewichtung vorzugsweise proportional zur Fläche des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement (260) erfolgt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Substrat (2) rechteckig ausgebildet ist und die zugeordneten Widerlager (40) neben einander gegenüberliegenden Seiten (206, 208) angeordnete sind und vorzugsweise mit jeweiligen Seitenmittelpunkten (216) dieser Seiten (206, 208) auf einer Geraden angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckeinleitkörper (60) als ein flächiger, federelastischer Metallformkörper ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, wobei der Metallformkörper einen Verbindungsabschnitt (62) zwischen zwei Befestigungsabschnitten (66) aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, wobei der Druckübertragungsabschnitt (620) als ein Teil des Verbindungsabschnitts (62) ausgebildet ist oder als eine Mehrzahl von Druckübertragungsabschnitten (622), die seitlich von dem Verbindungsabschnitt (62) wegstehen.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 5 und 11, wobei die von dem jeweiligen Druckübertragungsabschnitt ausgeübte Druckkraft abhängig ist von mindestens einem der folgenden Parameter: Anzahl der Leistungshalbleiterbauelementen der Bauelementgruppe, Art der Leistungshalbleiterbauelemente der Bauelementgruppe, summierte Stromtragfähigkeit aller Leistungshalbleiterbauelement der Bauelementgruppe.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mittelpunktabstand (640) vom Gruppenmittelpunkt (262) zum Druckübertragungspunkt (624) kleiner ist als das 0,5-fache, bevorzugt als das 0,3-fach und insbesondere bevorzugt als das 0,15-fache, des Abstandes des Gruppenmittelpunkts (262) zum Bauelementzentrum (264) des am weitesten davon beanstandeten Leistungshalbleiterbauelements (260) der Bauelementgruppe (26).
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Abstand (642) der Bauelementzentren (264) aller Leistungshalbleiterbauelemente (260) einer Bauelementgruppe (26) zum Gruppenmittelpunkt (262) um weniger als da 0,3-fache, bevorzugt als das 0,2-fach und insbesondere bevorzugt als das 0,1-fache vom mittleren Abstand abweicht.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckübertragungspunkt (624) in Normalenrichtung (N) neben allen Leistungshalbleiterbauelementen (260) einer Bauelementgruppe (26) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, wobei ein Abstand (644) des Bauelementzentrums (264) jedes Leistungshalbleiterbauelements (260) vom zugeordneten Druckübertragungspunkt (624) mindestens dem 2-fachen, bevorzugt dem 3-fach der längeren Kantenlänge dieses Leistungshalbleiterbauelement (260) beträgt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils ein Druckabschnitt (322) aus einer Mehrzahl von Druckabschnitten (322) der Verbindungseinrichtung (3) in Projektion entlang der Normalenrichtung (N) des Substrats (2) innerhalb einer Fläche (260) eines jeweilig zugeordneten Leistungshalbleiterbauelements (26) angeordnet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie (30,32,34) ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (50) aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement (52) aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, besteht.