DE19904279A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
HalbleitervorrichtungInfo
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Abstract
Es wird eine Halbleitervorrichtung aufgezeigt, welche mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halbleitergehäuse umfaßt, daß auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist. Es ist mindestens ein Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe an dem Kühlkörper (20) befestigt ist. Es ist ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material vorgesehen, die mindestens den Kühlkörper (20) im wesentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere Umgebungsluft abführbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit minde
stens einem Leistungshalbleiter, mindestens einem Kühlkörper
und einem Gehäuse. Besonders geeignet ist die Halbleitervor
richtung für Frequenzumrichter von Elektromotoren, z. B. in
Form von Gleichrichtern, in der Verwendung in Endstufen oder
im Bremschopper eines Frequenzumrichters von Elektromotoren.
Aus der Betriebsanleitung MOVIDRIVE der Firma SEW aus dem
Jahr 1997 ist ein Frequenzumrichter für Elektromotoren be
kannt. Der Frequenzumrichter umfaßt in seinem Leistungselek
tronik umfassenden Teil einen Gleichrichter und eine Endstu
fe.
Der Frequenzumrichter umfaßt auch ein Gehäuse aus Kunststoff.
Dieses Gehäuse wird beim Kunststoffgießen oder beim Kunst
stofftiefziehen gefertigt. Im ersten Fall wird Kunststoffgra
nulat erwärmt und in ein von einem Werkzeug vorgegebenen Vo
lumen eingepreßt. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ein Gehäu
se aus Kunststoff, dessen Form mit der Form des Werkzeuges
innerhalb der Toleranzen übereinstimmt. Beim Kunststoff
tiefziehen wird eine erwärmte Kunststoffolie bzw. Kunststoff
fläche durch Vakuum oder Unterdruck auf das Werkzeug aufge
bracht. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ebenfalls ein Gehäu
se aus Kunststoff.
Die Endstufe ist durch eine Vielzahl von elektronischen Lei
stungsschaltern, insbesondere IGBT-Transistoren, realisiert.
Diese Leistungsbauelemente, wie Leistungstransistoren und
Leistungsdioden, sind als Chip gefertigt. Sie produzieren
während des Betriebs eine erhebliche Wärmemenge, die abge
führt werden muß. Da der Wärmeleitungsübergang zur Luft einen
großen Wärmeübergangswiderstand aufweist, kann nur wenig Wär
me in dieses praktisch unendlich große Wärmereservoir abge
führt werden. Ohne Ankopplung des Leistungsbauelementes an
ein großes Wärmereservoir mit Hilfe eines kleinen Wärmeüber
gangswiderstands erhitzt sich das Leistungsbauelement so
stark, daß es zerstört wird.
Aus dem Datenbuch der Firma Siemens "Sipmos-Halbleiter" des
Jahres 1993 sind Gehäusebauformen, wie beispielsweise T0220,
bekannt, bei denen der Chip auf eine Kupferplatte aufgebracht
ist und somit seine Wärme an diese Kupferplatte abgeben kann.
Diese Kupferplatte liegt meist auf Kollektorpotential und hat
einen kleinen Wärmeübergangswiderstand zum Chip.
Allerdings ist die Wärmekapazität der Kupferplatte nicht ge
nügend groß. Die Kupferplatte dient also nur der sogenannten
Wärmespreizung. Dies bedeutet, daß die Wärme des Chip auf ei
ne größere Fläche verteilt wird, die Temperatur aber nur un
wesentlich sinkt. Die Kupferplatte muß zusätzlich an eine
größere Wärmekapazität angekoppelt werden. Dabei ist die Ver
größerung der Kontaktfläche von Vorteil, da somit zwar nicht
der spezifische aber der eigentliche Wärmewiderstand sinkt.
Diese Wärmespreizung ist also besonders notwendig, wenn zwi
schen Kupferplatte und der größeren Wärmekapazität sich bei
spielsweise ein Keramikplättchen zur elektrischen Isolation
befindet, wodurch der Wärmeübergang einen im Vergleich zur
direkten Ankopplung ohne Keramikplättchen hohen Wärmeüber
gangswiderstand hat.
Die Vielzahl von elektronischen Leistungsbauelementen, wie
Leistungsschalter der Endstufe oder dergleichen, wird bei
einem Einsatz dieser Gehäusebauformen auf eine dünne elek
trische Isolierschicht, beispielsweise ein spezielles Kera
mikplättchen, aufgesetzt, an die sich dann ein Kühlkörper
für alle Leistungsschalter anschließt. Die elektrische Iso
lierschicht ist notwendig, da die Kupferplatten der ver
schiedenen Leistungsschalter nicht alle auf gleichem Poten
tial liegen.
Aus dem Datenbuch "IGBT-Module" der Firma Siemens aus dem
Jahre 1996 und aus dem Datenbuch der Firma Semikron aus dem
Jahre 1997 sind Leistungsmodule bekannt, die eine Vielzahl
von Chips der Leistungsschalter tragen. Dabei sind die Chips
ohne obengenannte TO220 Gehäuse ausgeführt, sondern direkt
auf eine breite Kupferschicht aufgesetzt, die der Wärme
spreizung dient. Diese Kupferschicht ist auf einem Keramik
plättchen aufgebracht. Dieses Keramikplättchen ist entweder
direkt oder wiederum mit einer Kupferschicht an den Kühlkör
per angebracht.
Zur Verkleinerung der Wärmeübergangswiderstände wird zusätz
lich vom Fachmann Wärmeleitpaste verwendet. Diese wird vor
dem Aneinandersetzen zweier Flächen aufgebracht und füllt
auch kleinste Lücken aus.
Bei den oben erwähnten Anordnungen müssen die einzelnen Lei
stungsbauelemente, wie erwähnt, durch eine Isolierschicht
gegen den Kühlkörper isoliert werden. Diese Isolierschicht
stellt für die Wärmeabfuhr aus dem Leistungsbauelement her
aus einen zusätzlichen Wärmewiderstand dar. Als Gegenmaßnah
me wird der schon erwähnte Effekt der Wärmespreizung durch
Kupferplättchen genutzt. Dabei wird die Wärme auf eine grö
ßere Fläche verteilt. Die Temperatur dieser Fläche wird zwar
nur wenig herabgesetzt, aber der Wärmestrom durch die Iso
lierschicht hindurch wird vergrößert, da die Kontaktfläche
vergrößert und damit der eigentliche Wärmeübergangswider
stand verkleinert wurde.
Das Fertigen und Montieren der Isolierschicht bedingt einen
erhöhten Arbeitsaufwand und erhöhte Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor
richtung aufzuzeigen, welche Wärme gut abführt und dennoch in
einfacher Weise eine elektrische Isolierung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst,
welche aufweist:
- - mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halblei tergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
- - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Ma terial, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
- - ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht leitendem Material, die mindestens den Kühlkörper im we sentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungs halbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere an Umgebungsluft abführbar ist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der thermische Ge
samtwiderstand der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung im
wesentlichen genauso groß ist, wie derjenige, der bei Montage
des Halbleitergehäuses unter Zwischenlage einer isolierenden
Schicht auf einem Kühlkörper vorliegt. Die erfindungsgemäße
Halbleitervorrichtung hat also den Vorteil, daß das Gehäuse
selbst schon vorhanden ist, während bei konventionellen Bau
teilen ein zusätzliches Gehäuse bzw. eine zusätzliche Isolie
rung vorgesehen werden muß.
Es sei hier betont, daß eine einfache Lackierung des Kühlkör
pers nicht die erfindungsgemäß geforderte Gehäusefunktion
(mit ihrer Isolierwirkung) erfüllt.
Vorzugsweise ist der Kühlkörper mit dem nicht-leitenden Mate
rial der Gehäusewand direkt verbunden, insbesondere mit dem
Material umgossen, umspritzt oder in einem Tiefziehverfahren
mit dem Gehäusematerial so eng umgeben, daß keine Luftschicht
zwischen dem Gehäusematerial und dem Kühlkörper verbleibt. In
einfacher Weise und darum mit geringen Montagekosten bzw. mit
einem geringen Montageaufwand ist somit das Gehäuse nach dem
Umspritzen der Kühlkörper schon fertig.
Vorzugsweise weist das Gehäuse Montageeinrichtungen zur Mon
tage des Gehäuses samt Kühlkörpern und Leistungshalbleitern
an einer Platine, einem Schaltkasten oder dergleichen Trä
gereinrichtung auf. Es hält also das Gehäuse die Kühlkörper
und diese die Leistungshalbleiter, so daß nach Befestigung
des Gehäuses die Gesamtanordnung montiert ist. Es ist auch
möglich, die Platine oder Teil-Platinen an den Anschlußfahnen
der Leistungshalbleiter zu befestigen, wobei gleichzeitig die
notwendigen elektrischen Verbindungen geschaffen werden.
Der Kühlkörper weist vorzugsweise eine Wärmekapazität auf,
welche diejenige des Halbleitergehäuses wesentlich über
steigt. Auf diese Weise ist es möglich, plötzlich auftretende
Wärmemengen direkt vom Halbleiter zum Kühlkörper abfließen zu
lassen, so daß die bei Spitzenbelastungen auftretende Erwär
mungen für den Halbleiter im wesentlichen unschädlich sind.
Vorzugsweise umgibt das Gehäuse den Kühlkörper mindestens ab
schnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung ge
genüber der Umgebung, so daß eine erhöhte Sicherheit gewähr
leistet wird. Das Gehäuse umfaßt vorzugsweise eine Berüh
rungsschutzeinrichtung, insbesondere ein vorzugsweise ein
stückig angeformtes Gitter oder dergleichen, so daß bedienen
de Personen geschützt werden.
Es ist möglich, das Gehäuse mit Zirkulationseinrichtungen,
wie Lüftungsschlitzen, Strömungskanälen, Montageeinrichtungen
für Lüfter oder dergleichen Vorrichtungen zur Erhöhung der
Wärmeabgabe an das umgebende Medium auszustatten, wobei diese
Vorrichtungen ebenfalls einstückig angeformt werden und die
Herstellungskosten somit senken.
Man kann einzelne Kühlkörper zur Befestigung eines einzelnen
Halbleiters oder auch mehrer Halbleiter in einem Gehäuse an
bringen, wenn diese mehreren Halbleiter mit ihrem Gehäuse auf
demselben Potential liegen. Vorzugsweise werden in einem Ge
häuse mehrere Kühlkörper elektrisch isoliert voneinander ge
meinsam gehalten, was den Aufbau erheblich vereinfacht und
die Verwendung der Anordnung auch dann ermöglicht, wenn die
Halbleitergehäuse auf verschiedenen Potentialen liegen. In
jedem Fall werden auch hier wieder die Montagekosten ganz er
heblich gesenkt.
Beim Herstellen der Halbleitervorrichtung, die mindestens ei
nen Leistungshalbleiter mit einem Halbleitergehäuse, das auf
einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist
und mindestens ein Kühlkörper aus elektrisch leitendem Mate
rial, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärme
abgabe an den Kühlkörper befestigt ist, sowie ein Gehäuse mit
einer Gehäusewand aus nicht-leitendem Material umfaßt, die
mindestens den Kühlkörper im wesentlichen derart unmittelbar
umgibt, daß vom Halbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme
durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere
an Umgebungsluft abführbar ist, gießt man das Gehäuse aus
Kunststoff an den mindestens einen Kühlkörper an, spritzt es
an oder formt es unter Verwendung des Kühlkörpers als
Tiefziehform oder Tiefziehstempel an den Kühlkörper an. In
einem einzigen Verfahrensschritt wird somit die Verbindung
zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse geschaffen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher
erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit
angegossenem Gehäuse,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1
und
Fig. 3 ein perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit
Kühlkörper und Halbleiter samt Platine.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und
gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Wie in Fig. 1 schematisiert dargestellt, sind drei Kühlkörper
20, 20', 20", die jeweils eine Gewindebohrung 22 zum Befesti
gen eines Leistungshalbleiters 10 (siehe Fig. 2) aufweisen,
nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse 30 eingegossen. Die
Gehäusewand 31 schmiegt sich also im wesentlichen ohne jegli
che Luftschicht an die Kühlkörper 20 an und hält sie als
"Paket" gemeinsam fest. Auf planen, unisolierten Oberflächen
23 werden Leistungshalbleiter 10 mit ihren Gehäusen 11 bzw.
den dazugehörigen Anschlußplatten 12 mittels Befestigungs
schrauben 14 derart unmittelbar befestigt, daß ein extrem
niedriger Wärmeübergang zwischen den Gehäusen 11 bzw. den
Montageplatten 12 und den dazugehörigen Kühlkörpern 20 si
chergestellt ist. Eine elektrische Isolierung ist auch dann
nicht notwendig, wenn mehrere Halbleiter mit Kühlkörpern ver
bunden und zusammen montiert werden sollen und dabei ihre Ge
häuse 10 bzw. Montageplatten 12 auf verschiedenen Potentialen
liegen. Es sind nämlich, wie in Fig. 1 gezeigt, die verschie
denen Kühlkörper 20, 20', 20" voneinander beabstandet in dem
aus Kunststoff gefertigten Gehäuse 30 gehalten, so daß sie
voneinander elektrisch isoliert sind.
Die gesamte Einheit, bestehend aus Gehäuse 30, den darin ge
haltenen Kühlkörpern 20, 20', 20" und darauf befestigten
Halbleitern 10 kann man mittels Befestigungseinrichtungen,
die in Fig. 1 durch Gewindebohrungen 32 schematisiert ange
deutet sind, an einem dafür vorgesehenen Ort bzw. dafür vor
gesehenen Gegenstand befestigen, z. B. in einem Schaltkasten
eines Elektromotors.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante sind die Halbleiter 10,
10' mit ihren Anschlußfahnen 13 an einer Platine 33 befestigt
(angelötet). Die Halbleiter 10, 10' werden auf Kühlkörper 20,
20' so aufgeschraubt, daß sie eine sehr enge, wärmeleitende
Verbindung zu den Kühlkörpern 20, 20' aufweisen.
In Fig. 3 sind zwei Varianten aufgezeigt, wobei die Kühlkör
per 20 voneinander elektrisch isoliert durch das Gehäuse 30
gehalten sind, während der Kühlkörper 20' einstückig ausge
bildet ist und die darauf befestigten Halbleiter 10' darum in
einer elektrischen Verbindung miteinander stehen. Aus dieser
Darstellung geht auch hervor, daß das Gehäuse 30 in seiner
Gestalt sehr variabel ausgebildet sein kann, also nicht nur
(wie in Fig. 1 und 2 gezeigt) als Minimalgehäuse ausgebildet
sein muß, das den oder die Kühlkörper eng umgibt. Es ist wei
terhin möglich (in den Darstellungen der Einfachheit halber
jedoch nicht gezeigt), Lüftungseinrichtungen, wie Strömungs
kanäle, Halterungen für Lüfter oder dergleichen am Gehäuse
mit anzuformen bzw. in dieses zu integrieren.
10
Leistungshalbleiter
11
Halbleitergehäuse
12
Montageplatte
13
Anschlußfahne
14
Befestigungsschraube
15
Kühlkörper
16
Kühlrippen
17
Gewindebohrung
18
Oberfläche
19
Gehäuse
20
Gehäusewand
21
Montageeinrichtung
22
Platine
Claims (9)
1. Halbleitervorrichtung umfassend
- - mindestens einen Leistungshalbleiter (10, 10') mit einem Halbleitergehäuse (11, 12), das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
- - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
- - ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand aus elek trisch nicht-leitendem Material (31), die mindestens den Kühlkörper (20) im wesentlichen derart unmittel bar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter (10) an den Kühlkörper (20) abgegebene Wärme auch durch die Ge häusewand (31) an ein umgebendes Medium, insbeson dere an Umgebungsluft abführbar ist.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Gehäuse (30) mehrere Kühlkörper (20, 20', 20")
elektrisch isoliert voneinander gehalten sind.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühlkörper (20) mit dem nicht-leitenden Material
(31) direkt verbunden, insbesondere mit dem Material
(31) umgossen, umspritzt oder in einem Tiefziehverfahren
umgeben ist.
4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (30) Montageeinrichtungen (32) zur Montage
des Gehäuses (30) samt Kühlkörper (20) und
Leistungshalbleiter (10) an einer Platine (33), einem
Schaltkasten oder dergleichen Trägereinrichtung
aufweist.
5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühlkörper (20) eine Wärmekapazität aufweist, welche
diejenige des Halbleitergehäuses (11, 12) wesentlich
übersteigt.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (30) den Kühlkörper (20) mindestens
abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen
Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt.
7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (30) eine Berührungsschutzeinrichtung,
insbesondere ein vorzugsweise einstückig angeformtes
Gitter umfaßt.
8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (30) Zirkulationseinrichtungen, wie
Lüftungsschlitze, Strömungskanäle, Montageeinrichtungen
für einen Lüfter oder dergleichen Vorrichtungen zur
Erhöhung der Wärmeabgabe an das umgebende Medium
aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung,
umfassend
- - mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halb leitergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebs potential liegt und unisoliert ist;
- - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmit telbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
- - ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material, die mindestens den Kühl körper im wesentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abge gebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umge bendes Medium, insbesondere Umgebungsluft abführbar ist,
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