DE19904279B4

DE19904279B4 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE19904279B4
Application number: DE1999104279
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Roth-Stielow; Dirk Momann; Josef Schmidt
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: DE19904279A1

Abstract

Halbleitervorrichtung umfassend
– mindestens einen Leistungshalbleiter (10, 10') mit einem Halbleitergehäuse (11, 12), das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
– mindestens einen Kühlkörper (20) aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeübergabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist;
– ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand (31) aus elektrisch nicht-leitendem Material, das den Kühlkörper (20) mindestens abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt, wobei das nichtleitende Material den Kühlkörper (20) unmittelbar umgibt, so dass die vom Leistungshalbleiter (10) an den Kühlkörper (20) abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand (31) an ein umgebendes Medium abgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mindestens einem Leistungshalbleiter, mindestens einem Kühlkörper und einem Gehäuse. Besonders geeignet ist die Halbleitervorrichtung für Frequenzumrichter von Elektromotoren, z. B. in Form von Gleichrichtern, in der Verwendung in Endstufen oder im Bremschopper eines Frequenzumrichters von Elektromotoren.

Aus dem Stand der Technik sind Halbleitervorrichtungen mit wärmeableitenden Bauteilen bekannt, wobei diese die durch Halbleiterbauteile erzeugte Wärme bevorzugt in die Umgebung abführen. So ist z. B. in der JP 61-137351 A eine entsprechende Halbleitervorrichtung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung weist ein elektronisches Bauteil auf, an dem ein metallischer Kühlkörper befestigt ist. Um die Betriebssicherheit der Halbleitervorrichtung und den Kühleffekt zu verbessern, ist mindestens ein Teil der Oberfläche des Kühlkörpers mit einem Kunstharz umgeben.

Die DE 42 37 763 A1 zeigt eine Vorrichtung zur isolierten Befestigung von wärmeerzeugenden Halbleiter-Bauteilen auf einem wärmeabführenden Träger. Der Träger ist aus einem wärmeabführenden Metallkörper mit Kühlrippen ausgebildet, wobei auf diesen Metallkörper ein gut wärmeleitender Isolator aufgespritzt ist. Die Halbleiter-Bauteile sind über Wärmeleitbleche auf dem Isolator und damit auf dem Träger angeordnet.

Aus der Betriebsanleitung MOVIDRIVE der Firma SEW aus dem Jahr 1997 ist ein Frequenzumrichter für Elektromotoren bekannt. Der Frequenzumrichter umfaßt in seinem Leistungselektronik umfassenden Teil einen Gleichrichter und eine Endstufe.

Der Frequenzumrichter umfaßt auch ein Gehäuse aus Kunststoff. Dieses Gehäuse wird beim Kunststoffgießen oder beim Kunststofftiefziehen gefertigt. Im ersten Fall wird Kunststoffgranulat erwärmt und in ein von einem Werkzeug vorgegebenen Volumen eingepreßt. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ein Gehäuse aus Kunststoff, dessen Form mit der Form des Werkzeuges innerhalb der Toleranzen übereinstimmt. Beim Kunststofftiefziehen wird eine erwärmte Kunststoffolie bzw. Kunststofffläche durch Vakuum oder Unterdruck auf das Werkzeug aufgebracht. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ebenfalls ein Gehäuse aus Kunststoff.

Die Endstufe ist durch eine Vielzahl von elektronischen Leistungsschaltern, insbesondere IGBT-Transistoren, realisiert.

Diese Leistungsbauelemente, wie Leistungstransistoren und Leistungsdioden, sind als Chip gefertigt. Sie produzieren während des Betriebs eine erhebliche Wärmemenge, die abgeführt werden muß. Da der Wärmeleitungsübergang zur Luft einen großen Wärmeübergangswiderstand aufweist, kann nur wenig Wärme in dieses praktisch unendlich große Wärmereservoir abgeführt werden. Ohne Ankopplung des Leistungsbauelementes an ein großes Wärmereservoir mit Hilfe eines kleinen Wärmeübergangswiderstands 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 TO220, 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 genügend groß. Die Kupferplatte dient also nur der sogenannten Wärmespreizung. Dies bedeutet, daß die Wärme des Chip auf eine größere Fläche verteilt wird, die Temperatur aber nur unwesentlich sinkt. Die Kupferplatte muß zusätzlich an eine größere Wärmekapazität angekoppelt werden. Dabei ist die Vergrößerung der Kontaktfläche von Vorteil, da somit zwar nicht der spezifische aber der eigentliche Wärmewiderstand sinkt.

Diese Wärmespreizung ist also besonders notwendig, wenn zwischen Kupferplatte und der größeren Wärmekapazität sich beispielsweise ein Keramikplättchen zur elektrischen Isolation befindet, wodurch der Wärmeübergang einen im Vergleich zur direkten Ankopplung ohne Keramikplättchen hohen Wärmeübergangswiderstand hat.

Die Vielzahl von elektronischen Leistungsbauelementen, wie Leistungsschalter der Endstufe oder dergleichen, wird bei einem Einsatz dieser Gehäusebauformen auf eine dünne elektrische Isolierschicht, beispielsweise ein spezielles Keramikplättchen, aufgesetzt, an die sich dann ein Kühlkörper für alle Leistungsschalter anschließt. Die elektrische Iso lierschicht ist notwendig, da die Kupferplatten der verschiedenen Leistungsschalter nicht alle auf gleichem Potential liegen.

Aus dem Datenbuch 'IGBT-Module' der Firma Siemens aus dem Jahre 1996 und aus dem Datenbuch der Firma Semikron aus den Jahren 1992/1993 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 Wärmespreizung dient. Diese Kupferschicht ist auf einem Keramikplättchen aufgebracht. Dieses Keramikplättchen ist entweder direkt oder wiederum mit einer Kupferschicht an den Kühlkörper angebracht.

Zur Verkleinerung der Wärmeübergangswiderstände wird zusätzlich 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 Leistungsbauelemente, wie erwähnt, durch eine Isolierschicht gegen den Kühlkörper isoliert werden. Diese Isolierschicht stellt für die Wärmeabfuhr aus dem Leistungsbauelement heraus einen zusätzlichen Wärmewiderstand dar. Als Gegenmaßnahme wird der schon erwähnte Effekt der Wärmespreizung durch Kupferplättchen genutzt. Dabei wird die Wärme auf eine größere Fläche verteilt. Die Temperatur dieser Fläche wird zwar nur wenig herabgesetzt, aber der Wärmestrom durch die Isolierschicht hindurch wird vergrößert, da die Kontaktfläche vergrößert und damit der eigentliche Wärmeübergangswiderstand verkleinert wurde.

Das Fertigen und Montieren der Isolierschicht bedingt einen erhöhten Arbeitsaufwand und erhöhte Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung 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 Halbleitergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeübergabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist;
ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material, das den Kühlkörper mindestens abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt, wobei das nicht-leitende Material den Kühlkörper unmittelbar umgibt, so daß die vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium abgeführt wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der thermische Gesamtwiderstand 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 Bauteilen ein zusätzliches Gehäuse bzw. eine zusätzliche Isolierung vorgesehen werden muß.

Es sei hier betont, daß eine einfache Lackierung des Kühlkörpers nicht die erfindungsgemäß geforderte Gehäusefunktion (mit ihrer Isolierwirkung) erfüllt.

Vorzugsweise ist der Kühlkörper mit dem elektrisch nicht-leitenden Material 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 Montage des Gehäuses samt Kühlkörpern und Leistungshalbleitern an einer Platine, einem Schaltkasten oder dergleichen Trägereinrichtung 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 übersteigt. Auf diese Weise ist es möglich, plötzlich auftretende Wärmemengen direkt vom Halbleiter zum Kühlkörper abfließen zu lassen, so daß die bei Spitzenbelastungen auftretende Erwärmungen für den Halbleiter im wesentlichen unschädlich sind.

Das Gehäuse umfaßt vorzugsweise eine Berührungsschutzeinrichtung, insbesondere ein vorzugsweise einstückig angeformtes Gitter oder dergleichen, so daß bedienende 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 mehrerer Halbleiter in einem Gehäuse an bringen, wenn diese mehreren Halbleiter mit ihrem Gehäuse auf demselben Potential liegen. Vorzugsweise werden in einem Gehäuse mehrere Kühlkörper elektrisch isoliert voneinander gemeinsam 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 erheblich gesenkt.

Beim Herstellen der Halbleitervorrichtung, die mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halbleitergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist und mindestens ein Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist sowie ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material umfaßt, das den Kühlkörper mindestes abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt, wobei das nicht-leitende Material den Kühlkörper unmittelbar umgibt, so dass die vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium abgeführt wird, 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 so an, daß die Gehäusewand den mindestens einen Kühlkörper unmittelbar umgibt, wodurch zudem die Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse in einem Schritt geschaffen wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit angegossenem Gehäuse,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus 1 und
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 1 schematisiert dargestellt, sind drei Kühlkörper 20, 20', 20'', die jeweils eine Gewindebohrung 22 zum Befestigen eines Leistungshalbleiters 10 (siehe 2) aufweisen, nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse 30 eingegossen. Die Gehäusewand 31 schmiegt sich also im wesentlichen ohne jegliche 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 Befestigungsschrauben 14 derart unmittelbar befestigt, daß ein extrem niedriger Wärmeübergang zwischen den Gehäusen 11 bzw. den Montageplatten 12 und den dazugehörigen Kühlkörpern 20 sichergestellt ist. Eine elektrische Isolierung ist auch dann nicht notwendig, wenn mehrere Halbleiter mit Kühlkörpern verbunden und zusammen montiert werden sollen und dabei ihre Gehäuse 11 bzw. Montageplatten 12 auf verschiedenen Potentialen liegen. Es sind nämlich, wie in 1 gezeigt, die verschiedenen 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 gehaltenen Kühlkörpern 20, 20', 20'' und darauf befestigten Halbleitern 10 kann man mittels Befestigungseinrichtungen, die in 1 durch Gewindebohrungen 32 schematisiert angedeutet sind, an einem dafür vorgesehenen Ort bzw. dafür vorgesehenen Gegenstand befestigen, z. B. in einem Schaltkasten eines Elektromotors.
Bei der in 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 3 sind zwei Varianten aufgezeigt, wobei die Kühlkörper 20 voneinander elektrisch isoliert durch das Gehäuse 30 gehalten sind, während der Kühlkörper 20' einstückig ausgebildet 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 1 und 2 gezeigt) als Minimalgehäuse ausgebildet sein muß, das den oder die Kühlkörper eng umgibt. Es ist weiterhin möglich (in den Darstellungen der Einfachheit halber jedoch nicht gezeigt), Lüftungseinrichtungen, wie Strömungskanäle, Halterungen für Lüfter oder dergleichen am Gehäuse mit anzuformen bzw. in dieses zu integrieren.

10: Leistungshalbleiter
11: Halbleitergehäuse
12: Montageplatte
13: Anschlußfahne
14: Befestigungsschraube
20: Kühlkörper
22: Gewindebohrung
23: Oberfläche
30: Gehäuse
31: Gehäusewand
32: Gewindebohrung
33: Platine

Claims

Halbleitervorrichtung umfassend – mindestens einen Leistungshalbleiter (10, 10') mit einem Halbleitergehäuse (11, 12), das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist; – mindestens einen Kühlkörper (20) aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeübergabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist; – ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand (31) aus elektrisch nicht-leitendem Material, das den Kühlkörper (20) mindestens abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt, wobei das nichtleitende Material den Kühlkörper (20) unmittelbar umgibt, so dass die vom Leistungshalbleiter (10) an den Kühlkörper (20) abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand (31) an ein umgebendes Medium abgeführt wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (30) mehrere Kühlkörper (20, 20', 20'') elektrisch isoliert voneinander gehalten sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) mit dem elektrisch nicht-leitenden Material direkt verbunden, insbesondere mit dem Material umgossen, umspritzt oder in einem Tiefziehverfahren umgeben ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) Montageeinrichtungen zur Montage des Gehäuses (30) samt Kühlkörper (20) und Leistungshalbleiter (10) an einer Platine (33), einem Schaltkasten oder dergleichen Trägereinrichtung aufweist.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) eine Wärmekapazität aufweist, welche diejenige des Halbleitergehäuses (11, 12) wesentlich übersteigt.
Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) eine Berührungsschutzeinrichtung, insbesondere ein vorzugsweise einstückig angeformtes Gitter umfaßt.
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.
Verfahren zur Herstellung einer Halbeitervorrichtung, umfassend – mindestens einen Leistungshalbleiter (10, 10') mit einem Halbleitergehäuse (11, 12), das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist; – mindestens einen Kühlkörper (20) 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 (31) aus elektrisch nicht-leitendem Material, das den Kühlkörper (20) mindestens abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt, wobei das nichtleitende Material den Kühlkörper (20) unmittelbar umgibt, so dass die vom Leis tungshalbleiter (10) an den Kühlkörper (20) abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand (31) an ein umgebendes Medium abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Kunststoff an dem mindestens einen Kühlkörper angegossen, angespritzt oder unter Verwendung des Kühlkörpers als Tiefziehform oder Tiefziehstempel so angeformt ist, dass die Gehäusewand den mindestens einen Kühlkörper unmittelbar umgibt, wodurch zudem die Verbindung zwischen Kühlkörper und Gehäuse in einem Schritt geschaffen wird.