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Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement zur Anordnung auf einer Kühlfläche einer Kühleinrichtung mit einem Gehäuse und einer darin angeordneten leistungselektronische Baugruppe, mit einem ersten Lastanschlusselement, mit einem Gehäuseabschnitt, und mit einer Ausnehmung, in der eine elektrisch isolierender und thermisch leitender Formkörper angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2014 106 570 A1 ist beispielshaft ein Leistungshalbleitermodul und eine Anordnung hiermit offenbart. 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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, einer leistungselektronischen Baugruppe, mit mindestens einem Lastanschlusselement und einem Formkörper vorzustellen, wobei die Wärmeabfuhr aus dem Lastanschlusselement und damit dessen Kühlung verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul zur Anordnung auf einer Kühlfläche einer Kühleinrichtung mit einem Gehäuse einer darin angeordneten leistungselektronische Baugruppe die dafür ausgebildet ist mit einer ersten Kontaktfläche auf der Kühlfläche, mit einer Normalenrichtung, angeordnet zu werden, mit einem ersten Lastanschlusselement, mit einem Gehäuseabschnitt, der eine erste Hauptfläche in Normalenrichtung aufweist, auf dem ein erster Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements angeordnet ist, und mit einer zur ersten Hauptfläche parallel angeordneten zweiten Hauptfläche, und mit einer Ausnehmung, in der eine elektrisch isolierender und thermisch leitender Formkörper mit einer zur ersten Hauptfläche parallelen zweiten Kontaktfläche und einer zur zweiten Hauptfläche parallelen dritten Kontaktfläche, angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausnehmung ausgehend von der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist und der Formkörper mit seiner zweiten Kontaktfläche auf der Kühlfläche angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist der Formkörper mit seiner zweiten Kontaktfläche neben der leistungselektronischen Baugruppe mit ihrer ersten Kontaktfläche angeordnet ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Ausnehmung durchgehend ausgebildet ist und die dritte Kontaktfläche des Formkörpers in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dem ersten Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements steht.
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Es kann auch bevorzugt sein, wenn die Ausnehmung als eine Vertiefung ausgebildet ist und zwischen der dritten Kontaktfläche des Formkörpers und dem ersten Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements ein erster Gehäuseteilabschnitt des Gehäuseabschnitts angeordnet ist, wobei der Formkörper dadurch in mittelbaren thermisch leitenden Kontakt mit dem Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements steht.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Ausnehmung als eine zweite Vertiefung ausgehend von der ersten Hauptfläche ausgebildet ist und der Formkörper mit seiner dritten Kontaktfläche in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dem ersten Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements steht und zwischen der zweiten Kontaktfläche des Formkörpers und der Kühlfläche ein zweiter Gehäuseteilabschnitt des Gehäuseabschnitts angeordnet ist.
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Es kann alternativ vorteilhaft sein, wenn die Ausnehmung zwischen den Hauptflächen des Gehäuseabschnitts ausgebildet ist, wobei dadurch die zweite Kontaktfläche des Formkörper in keinen unmittelbaren Kontakt mit dem Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements und die dritte Kontaktflächen des Formkörper in keinen unmittelbaren Kontakt mit der Kühlfläche steht.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Dicke des Kunststoffs zwischen dem Formkörper und dem ersten Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements dem ein- bis maximal fünffachen, bevorzugt dem zwei- bis dreifachen der Dicke des ersten Teilabschnitts entspricht.
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Es kann bevorzugt sein, wenn das Gehäuse durch Spritzguss ausgebildet ist und somit der Formkörper zumindest teilweise, insbesondere vollständig, von dem Gehäuse umschlossen ist.
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Es kann auch bevorzugt sein, wenn der Formkörper kraft- oder stoffschlüssig auf der Kühlfläche der Kühleinheit angeordnet ist.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn der Formkörper auf seinen Seitenflächen Vorsprünge aufweist.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn ein Formkörper einer leistungselektronische Baugruppe mit einem ersten Lastanschlusselement zugeordnet ist.
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Es kann bevorzugt sein, wenn der Formkörper mehreren leistungselektronischen Baugruppen mit jeweils einem ersten Lastanschlusselement zugeordnet ist.
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Es kann ebenfalls bevorzugt sein, wenn der Formkörper mehreren leistungselektronischen Baugruppen mit jeweils einem ersten Lastanschlusselement zugeordnet ist.
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Auch kann es bevorzugt sein, wenn der Formkörper aus einem keramischen Werkstoff besteht.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der erste Teilabschnitt des ersten Lastanschlusselements als ein flächiger Metallkörper ausgebildet ist, welcher parallel zu Kühlfläche angeordnet ist.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein zweites Lastanschlusselement mit seinem zweiten Teilabschnitt auf dem ersten Lastanschlusselement angeordnet ist.
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Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der zweite Teilabschnitt in Normalenrichtung über dem Formkörper angeordnet ist.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere der Formkörper, mehrfach in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhanden sein.
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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.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 bis 6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen, eins bis sechs, der erfindungsmäßigen Anordnung mit einem Formkörper im Schnitt.
- 7 zeigt eine siebte Ausgestaltung der erfindungsmäßigen Anordnung in einer Draufsicht.
- 8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Gehäuses mit einer Ausnehmung.
- 9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Gehäuses mit einem Formkörper.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse 1, einer leistungselektronischen Baugruppe 6 und einer einem Grundkörper 7. Das Gehäuse 1 umschließt hierbei, nur teilweise dargestellt, rahmenartig ein leistungselektronisches Substrat 60 der leistungselektronischen Baugruppe 6. Das Substrat 60 weist eine Mehrzahl von Leiterbahnen 62 und auf diesen Leiterbahnen 62 angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 64 auf. Mit einer dieser Leiterbahnen 62 verbunden ist hier weiterhin ein erstes Lastanschlusselement 4 der leistungselektronischen Baugruppe 6 dargestellt. Das erste Lastanschlusselement 4 ist hier beispielsweise als ein flächiger, abgewinkelter Metallkörper ausgebildet, welcher parallel zur Kühlfläche 72 angeordnet ist. Diese leistungselektronische Baugruppe 6 bildet gemeinsam mit dem Gehäuse 1 hier ein fachübliches Leistungshalbleitermodul aus.
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Das Gehäuse 1 weist einen Flächenabschnitt zur Anordnung des Gehäuses 1 auf dem Grundkörper, der hier als eine Kühleinrichtung 70 mit einer Kühlfläche 72 ausgebildet ist, auf. Das Gehäuse 1 des Leistungshalbleitermoduls liegt damit in Normalenrichtung, hier in positiver z-Richtung, betrachtet auf der Kühlfläche 72 dieser Kühleinrichtung 70 auf. Fachüblich liegt der Flächenabschnitt des Gehäuses 1 hierbei zumindest teilweise bündig auf der Kühlfläche 72 der Kühleinrichtung 70 auf. Ebenso liegt auch das Substrat 60 mit einer ersten Kontaktfläche 20 zu deren Kühlung bündig in einem Abschnitt auf der Kühlfläche 72 der Kühleinrichtung auf.
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Das Gehäuse 1 weist weiterhin einen Gehäuseabschnitt mit einer ersten Hauptfläche 10 in Normalenrichtung auf, auf der ein erster Teilabschnitt 40 des ersten Lastanschlusselements 4 angeordnet ist. Der Gehäuseabschnitt weist weiterhin eine zur ersten Hauptfläche 10 parallele zweite Hauptfläche 12 auf. Die zweite Hauptfläche 12 ist in z-Richtung parallel zur Kühleinheit 70 und ihrer Kühlfläche 72 beabstandet angeordnet.
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Insbesondere besteht das Gehäuse 1 und damit der Gehäuseabschnitt aus einem Kunststoff. Hierbei entspricht die Dicke des Kunststoffs zwischen dem Formkörper 30 und dem ersten Teilabschnitt 40 des ersten Lastanschlusselements 4 vorteilhafterweise dem ein- bis maximal fünffachen, bevorzugt dem zwei- bis dreifachen der Dicke des ersten Teilabschnitts 40.
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Dieser Gehäuseabschnitt weist eine als erste Vertiefung ausgebildete Ausnehmung 14 auf, in der ein elektrisch isolierender und thermisch leitender Formkörper 30 angeordnet ist, auf. Die Ausnehmung 14 ist hierbei in Normalenrichtung ausgehend von der zweiten Hauptfläche 12 ausgebildet. Der Formkörper 30 besteht hierbei aus einem keramischen Werkstoff und weist eine zur ersten Hauptfläche 10 parallele zweite Kontaktfläche 22 und eine zur zweiten Hauptfläche 12 paralalle dritte Kontaktfläche 24 auf. Der Formkörper 30 ist mit seiner zweiten Kontaktfläche 22 in x-Richtung neben der leistungselektronischen Baugruppe 6 mit ihrer ersten Kontaktfläche 20 angeordnet.
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Alternativ kann der Formkörper 30 auch aus einem anderen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Werkstoff bestehen. Möglich wäre auch ein Formkörper 30, der beispielsweise als ein IMS (Insulated Metal Substrate) ausgebildet ist oder ein Formköper 30, der aus einem mit Keramikpartikeln gefülltem Epoxid besteht. Insbesondere weist der Formkörper 30 mindestens den dreifachen Wert der Wärmeleitkapazität des Gehäuses 1 auf.
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Der Formkörper 30 ist mit seiner dritten Kontaktfläche 24 in der Ausnehmung 14 des Gehäuseabschnitts parallel zur Kühlfläche 72 auf fachübliche Weise formschlüssig angeordnet. Die zweite Kontaktfläche 22 des Formkörper 30 ist kraftschlüssig auf der Kühlfläche 72, beispielsweise durch Auflegen angeordnet, in dem das Gehäuse 1 durch eine Schraubverbindung mit dem Kühlkörper verbunden ist, vgl. 8
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul mit einem Formköper 30 im Schnitt. 2 unterscheidet sich von 1 dahingehend, dass die Ausnehmung 14 in dem Gehäuseabschnitt des Gehäuses 1 durchgehend ausgebildet ist. Der Formkörper 30 ist formschlüssig in der Ausnehmung 14 angeordnet. Die dritte Kontaktfläche 24 des Formkörpers 30 steht dabei in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dem ersten Teilabschnitt 40 des ersten Lastanschlusselements 4. Die zweite Kontaktfläche 22 ist hier in Normalenrichtung auf der Kühlfläche 72 der Kühleinrichtung 70 angeordnet. Zwischen der Kühlfläche 72 und dem Formkörper 30 als auch zwischen dem Formkörper 30 und dem Lastanschlusselement ist somit kein Gehäusematerial vorhanden.
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3 zeigt eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls mit einem Formköper 30 im Schnitt. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 ist hier die Ausnehmung 14 als eine zweite Vertiefung ausgehend von der ersten Hauptfläche 10 ausgebildet. Der Formkörper ist in der Ausnehmung 14 stoffschlüssig, beispielsweise durch Kleben, angeordnet. Der Formkörper steht dabei mit seiner dritten Kontaktfläche 24 in unmittelbarem thermisch leitendem Kontakt mit dem ersten Teilabschnitt 40 des ersten Lastanschlusselements 4. Zwischen der zweiten Kontaktfläche 22 und der Kühlfläche 72 ist ein zweiter Gehäuseteilabschnitt angeordnet, sodass die zweite Kontaktfläche 22 des Formkörpers nicht in Kontakt mit der Kühlfläche 72 steht.
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4 zeigt eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls mit einem Formköper 30 im Schnitt. 4 unterscheidet sich von 1 darin, dass die Ausnehmung 14 zwischen der Hauptfläche 10 und der Hauptfläche 12 des Gehäuseabschnitts ausgebildet ist. Der Formkörper ist in der Ausnehmung 14 angeordnet. Die dritte Kontaktfläche 24 steht somit in keinem unmittelbaren Kontakt mit dem Teilabschnitt 40 des ersten Lastanschlusselements. Auch die zweite Kontaktfläche steht in keinen unmittelbaren Kontakt mit der Kühlfläche 72. Das Gehäuse ist hier beispielsweise durch Spritzguss ausgebildet und umschließt den Formkörper 30 vollständig. Dies hat den Vorteil, dass sich die Form der Ausnehmung 14 aus der Form des Formkörper 30 ergibt.
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5 zeigt eine fünfte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls mit einem Formköper 30 im Schnitt. 5 unterscheidet sich von 1 dahingehend, dass der Formkörper 30 auf seinen seitlichen Flächen Vorsprünge 32 aufweist. Mit diesen Vorsprünge 32 wird der Formkörper 30 in dem Gehäuseabschnitt formschlüssig angeordnet, sodass ein Verrutschen des Formkörpers 30 durch das Einrasten der Vorsprünge in den Gehäuseabschnitt nicht möglich ist.
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6 zeigt eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls mit einem Formköper 30 im Schnitt. Im Vergleich zu den bisherigen Figuren zeigt 6 ein zweites Lastanschlusselement 5. Dieses zweite Lastanschlusselement 5 ist mit seinem zweiten Teilabschnitt 42 in z-Richtung auf dem ersten Lastanschlusselement 4 voneinander elektrisch isoliert angeordnet, sodass beide Lastanschlusselemente 4,5 sich in diesem Bereich überschneiden. Dieser zweite Teilabschnitt 42 ist weiterhin in Normalenrichtung über dem Formköper 30 angeordnet. Zwischen der dritten Kontaktfläche 24 des Formkörpers 30 und des ersten Lastanschlusselements 4 ist ein dritter Gehäuseteilabschnitt des Gehäuseabschnitts angeordnet. Damit ist der Formkörper 30 in mittelbaren thermisch leitenden Kontakt mit dem zweiten Teilabschnitt 42 des ersten und zweiten Lastanschlusselements 4,5.
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7 zeigt eine siebte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in einer Draufsicht. Dargestellt ist ein Gehäuse 1 mit mehreren, hier vier, leistungselektronischen Baugruppen 6. Jeder leistungselektronischen Baugruppe 6 ist im oberen Bereich jeweils ein Formkörper 30 einem ersten Lastanschlusselement 4, hier nicht dargestellt, zugeordnet. Im unteren Bereich des Gehäuses 1 ist ein Formkörper 30 mehreren leistungselektronischen Baugruppen, hier 3, mit jeweils einem weiteren Lastanschlusselement zugeordnet. Die rechts dargestellte leistungselektronische Baugruppe 6 weist hingegen auch im unteren Bereich einen Formkörper 30, welcher einem weiteren Lastanschlusselement zugeordnet ist, auf.
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8 und 9 zeigen eine dreidimensionale Ansicht aus Sicht einer nicht dargestellten Kühleinrichtung auf eine erfindungsgemäße Anordnung, ähnlich derjenigen gemäß 1. Diese Anordnung weist ein rahmenartiges Gehäuse 1 auf, das eine leistungselektronische Baugruppe 6 umschließt. Von dieser leistungselektronischen Baugruppe ist die Unterseite des Substrats 60, wie auch eine Mehrzahl von fachüblichen Hilfsanschlusselementen 66 in Form von Press-Pins dargestellt.
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8 zeigt hierbei das Gehäuse 1 mit einem, hier schraffierten, Gehäuseabschnitt, welcher in den 1 bis 6 ebenfalls schraffiert dargestellt ist. In diesem Gehäuseabschnitt ist die Ausnehmung 14 ausgehend von der zweiten Hauptfläche 12 wie auch in 1, in x-Richtung neben der ersten Kontaktfläche 20 der leistungselektronischen Baugruppe 6 angeordnet.
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9 zeigt den Formkörper 30, der in der Ausnehmung 14 mit seiner zweiten Kontaktfläche 22 formschlüssig angeordnet ist. Die dritte Kontaktfläche 24 des Formkörpers 30 ist dabei kraftschlüssig mittels einer Schraubverbindung zwischen dem Gehäuse 1 und der Kühleinheit 70, hier nicht dargestellt, auf der Kühlfläche 72 angeordnet. Die für diese Verbindung benötigten Schrauben werden dabei in den vorgesehenen halbkreisförmigen Aussparungen des Gehäuses 1 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 10
- erste Hauptfläche
- 12
- zweite Hauptfläche
- 14
- Ausnehmung
- 20
- erste Kontaktfläche
- 22
- zweite Kontaktfläche
- 24
- dritte Kontaktfläche
- 30
- Formkörper
- 32
- Vorsprünge
- 4
- erstes Lastanschlusselement
- 40
- erster Teilabschnitt
- 42
- zweiter Teilabschnitt
- 5
- zweites Lastanschlusselement
- 6
- leistungselektronische Baugruppe
- 60
- Substrat
- 62
- Leiterbahn
- 64
- Leistungshalbleiterbauelement
- 66
- Hilfsanschlusselement
- 7
- Grundkörper
- 70
- Kühleinrichtung
- 72
- Kühlfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014106570 A1 [0002]
