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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungselement.
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Für gewöhnlich umfassen
elektronische Leistungselemente, die insbesondere verwendet werden,
um Wechselrichter zu realisieren, die für den Eisenbahnantrieb bestimmt
sind, eine Platte zum Beispiel aus Kupfer. Eine Vielfalt von Verbundstrukturen
der Art Leiter-Isolator-Leiter,
welche gleichzeitig eine Funktion der Wärmeübertragung und der elektrischen
Isolierung übernehmen,
sind auf dieser Platte angebracht. Sie werden beispielsweise verwirklicht
in Form eines Stapels Kupfer-Keramik-Kupfer, was auch Direct Bonded
Copper (DBC) genannt wird. Diese Verbundstrukturen können gleichermaßen ausgeführt sein
in Form von isolierten metallischen Trägersubstanzen SMI (= substrat
metallique isolé), welche
eine untere Schicht aus Aluminium oder aus Kupfer, eine Zwischenschicht
aus Epoxid und eine obere Schicht aus Kupfer, eventuell in mehreren
Teilen ausgeführt,
umfassen.
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In
der Patentanmeldung DE-A-4311839 werden Strukturen aus Silizium
für die
Wärmeübertragung
erwähnt,
welche Durchlassvorrichtungen für
ein Kühlmittel
umfassen, und in der Patentanmeldung EP-A-0871352 wird eine Struktur
zur Wärmeübertragung
für elektronische
Elemente offenbart.
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Auf
jeder Verbundstruktur sind mehrere halbleitende Leistungskreise
angeordnet, welche beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter
Steuerelektrode, genannt IGBT, oder auch Dioden sind. Diese halbleitenden
Kreise sind des weiteren auf einer ihrer Seiten mit Verbindungs-Kontaktstellen
bedeckt und sind auf ihre Seite ohne Kontaktstellen mit einer freien
Metallschicht der Verbundstruktur verbunden. Die Schaltkreise werden
beispielsweise durch Weichlöten
mit Zinn-Blei oder auch Zinn-Blei-Silber darauf befestigt.
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Danach
werden auf jede Verbindungs-Kontaktstelle mehrere Aluminiumfasern
gelötet,
welche üblicherweise
einen Durchmesser von 380 bis 500 Mikrometern aufweisen. Jede dieser
Fasern ist gleichermaßen
auf die obere Metallschicht der Verbundstruktur gelötet. Diese
aus der Platte, den Verbundstrukturen und den halbleitenden Leistungskreisen gebildete
Einheit wird dann in einem Gehäuse
angeordnet, welches mit Silikon-Gel gefüllt ist und mit einer Haube
aus Epoxidharz abgedeckt ist, um so ein elektronisches Leistungselement
zu bilden.
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Das
letztgenannte ist für
gewöhnlich
auf einem Kühlelement
angeordnet, welches eine wassergekühlte Platte, ein Luftwärmetauscher
oder weiter eine Verdampferbasis "Wärmeleitrohr" sein kann. Ein solches
Element ist dazu bestimmt, die Temperatur aufrecht zu erhalten,
bei welcher das elektronische Leistungselement einem Wert von unter
125°C ausgesetzt
ist, um seine Unversehrtheit zu bewahren.
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Im
allgemeinen ist das Problem der Kühlung ganz besonders entscheidend
im Bereich der elektronischen Leistungselemente, insofern es dieser Temperaturgrenzwert
der Umgebung von ungefähr 125°C ist, der
den Wert der Strombelastbarkeit des Elements bestimmt.
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Insbesondere,
wenn gewünscht
wird, die nominale Stromkapazität
dieser Elemente zu steigern, ist es notwendig, die Quantität des verwendeten halbleitenden
Materials zu steigern, was natürlich eine
Steigerung der Herstellungskosten einschließt.
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Die
Erfindung hat dementsprechend zur Aufgabe, die Kühlung der elektronischen Leistungselemente
zu verbessern, entweder um die Stromführung dieser Elemente für ein Volumen
zu steigern und dementsprechend einen gegebenen Herstellungspreis,
oder aber um für
einen gegebenen nominalen Strom das Volumen und dementsprechend
den Herstellungspreis zu mindern.
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Die
Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, ein elektronisches Leistungselement
zu realisieren, dessen allgemeine Struktur sich von den Elementen gemäß dem Stand
der Technik unterscheidet und es aufgrund dieser Tatsache ermöglicht,
die Kühlung
zu verbessern.
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Zu
diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein elektronisches Leistungselement,
welches eine erste Verbundstruktur zur Wärmeübertragung und zur elektrischen
Isolierung umfasst, wobei es wenigstens einen halbleitenden Leistungskreis
unterstützt,
dessen der ersten Verbundstruktur gegenüber liegende Seite mit Verbindungs-Kontaktstellen
ausgestattet ist, wobei die erste Verbundstruktur zwei leitende
oder halbleitende Schichten aufweist, jeweils angrenzend und gegenüber des
halbleitenden Kreises, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs-Kontaktstellen
mit ihrer der ersten Verbundstruktur gegenüber liegenden Seite verbunden
sind mit einem ebenen Netz von voneinander isolierten leitenden
Elementen, wobei das Netz integriert ist in wenigstens eine zweite
Verbundstruktur zur Wärmeübertragung
und zur elektrischen Isolierung, welche eine dem halbleitenden Kreis
gegenüber
liegende leitende oder halbleitende Schicht aufweist, und dadurch,
dass die gegenüber
liegende Schicht von wenigstens einer der ersten oder zweiten Verbundstruktur
Durchlassvorrichtungen für
ein Kühlmittel
aufweist.
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Gemäß anderen
charakteristischen Merkmalen der Erfindung:
- – ist die
Schicht gegenüber
dem halbleitenden Kreis aus halbleitendem Material, insbesondere aus
Silizium;
- – umfasst
die halbleitende Schicht gegenüber dem
halbleitenden Kreis erste und zweite miteinander verbundene Plättchen,
wobei wenigstens eines der Plättchen
mit Rillen ausgestattet ist, und die Durchlassvorrichtungen für das Kühlmittel durchgehende
Kanäle
umfassen, die in der dem halbleitenden Kreis gegenüber liegenden
Schicht eingerichtet sind, wobei die Kanäle durch Zusammenwirken der
Formen zwischen den Plättchen realisiert
sind;
- – sind
die Plättchen
jeweils mit einer Reihe von Rillen ausgestattet und sind die Kanäle realisiert auf
beiden Seiten der Verbindungsfläche
der zwei Plättchen
durch Zusammenwirken der Form zwischen den betreffenden Rillen;
- – haben
die Kanäle
einen hexagonalen Querschnitt;
- – ist
die Schicht gegenüber
dem halbleitenden Kreis aus einem metallischen Werkstoff;
- – führen die
Durchlassvorrichtungen für
das Kühlmittel
zu dem fernen Ende der dem halbleitenden Leistungskreis gegenüber liegenden
Metallschicht;
- – umfassen
die Durchlassvorrichtungen wenigstens einen Kanal, der sich auf
wenigstens einem Teil wenigstens einer Dimension der dem halbleitenden
Kreis gegenüber
liegenden leitenden Schicht erstreckt;
- – sind
Kontaktstellen mit dem angrenzenden ebenen Netz der zweiten Verbundstruktur
durch Löten
wenigstens eines Buckels aus Zinn-Blei-Silber verbunden und
- – sind
die Kontaktstellen getrennt von dem oder von jedem Buckel durch
einen an dem oder an jedem Buckel anhaftenden Überzug, insbesondere einer
Abscheidung aus Titan-Nickel-Gold.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beschrieben unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungsfiguren, welche nur zu nicht begrenzenden Beispielzwecken
gegeben werden und in welchen:
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1 bis 3 schematische
Ansichten sind, welche die Realisierung einer Schicht, die zu einer
Verbundstruktur gehört,
wie sie in einem elektronischen Leistungselement gemäß der Erfindung
enthalten ist, darstellen;
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4 eine
schematische Ansicht ist, welche die Verbundstruktur darstellt,
die aus der in 1 bis 3 dargestellten
Schicht gebildet ist, Struktur, auf welcher ein halbleitender Leistungskreis
angeordnet ist;
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5 eine
schematische Ansicht des halbleitenden Kreises aus 4 in
einem größeren Maßstab ist;
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6 eine
schematische Ansicht ist, welche ein Element gemäß der Erfindung darstellt,
das zwei Verbundstrukturen wie in 4 dargestellt
umfasst;
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7 bis 9 schematische
Ansichten sind, welche eine Variante der Ausführung einer Verbundstruktur
eines elektronischen Leistungselements gemäß der Erfindung darstellen;
und
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10 eine
schematische Ansicht ist, welche ein Element gemäß der Erfindung darstellt,
einschließlich
zwei Strukturen wie in 8 und 9 dargestellt.
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1 bis 3 zeigen
die Herstellung einer halbleitenden Schicht, die dazu bestimmt ist,
in ein elektronisches Leistungselement gemäß der Erfindung integriert
zu werden. Die Herstellung erfordert zunächst zwei Plättchen,
dargestellt in 1 und nachfolgend erstes Plättchen 2 und
zweites Plättchen 4 genannt,
welche aus monokristallinem Silizium hergestellt sind. Sie weisen
zueinander analoge Abmessungen auf, besitzen nämlich eine Dicke e von ungefähr 1 mm
und Hauptabmessungen von ungefähr
50 mal 50 mm.
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Wie 2 zeigt,
werden anschließend
die Rillen 6 innerhalb des ersten Plättchens 2 hergestellt. Diese
Rillen werden auf bekannte Art hergestellt mittels einem Verfahren
der Feuchtgravur durch chemische Einwirkung. Aufgrund der Beschaffenheit
von monokristallinem Silizium wird dieser Vorgang insbesondere erleichtert
und führt
zur Bildung von Rillen, welche ein U-Profil mit geneigten Flügeln aufweisen, wobei
die Gravur durch das Folgen der kristallinen Ebenen bewirkt wird.
Der Winkel α,
welcher die Neigung der Flügel 6A der
Rillen definiert, beträgt
ungefähr
57°. Die
Rillen werden parallel zu einer der Hauptrichtungen des Plättchens
zwischen zwei gegenüber
liegenden Rändern
hergestellt.
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Der
Vorgang der Gravur wird gestoppt, wenn die Tiefe p der Rille 6 ungefähr gleich
der Hälfte
ihrer Breite L ist. Im Beispiel der Ausführungsform werden auf dem Plättchen 2 ungefähr 50 Rillen
angefertigt, was einer Dichte von 10 Rillen pro cm entspricht. Die Rillen 6 können gleichermaßen die
Form eines V aufweisen.
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2 zeigt
ausschließlich
die Herstellung der Rillen 6 auf der Fläche des Plättchens 2, wobei es sich
von selbst versteht, dass bei der beschriebenen Ausführungsform
auf der Fläche
des zweiten Plättchens 4 entsprechende
Rillen angefertigt sind, welche nachfolgend durch die Bezugsziffer 8 gekennzeichnet
sind.
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Danach
müssen
die zwei Plättchen 2 und 4 zusammengefügt werden.
Zu diesem Zweck werden jeweils die Reihen von Rillen 6, 8 in
Bezug zueinander angeordnet, woraufhin die zwei Plättchen durch Löten auf
bekannte Weise miteinander verbunden werden. Dieser Vorgang wird
bei einer Temperatur von ungefähr
600°C ausgeführt.
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Die
durch das Verbinden der zwei Plättchen 2 und 4 gebildete
Schicht wird nachfolgend in ihrer Gesamtheit durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
Sie ist mit einer Vielzahl von Kanälen 12 ausgestattet,
welche durch Zusammenwirken der gegenüber liegenden Rillen 6 und 8 entstehen,
die in den jeweiligen Plättchen 2 und 4 eingerichtet
sind. Die Kanäle 12 erstrecken
sich auf beiden Seiten der Verbindungsebene P zwischen den zwei
Plättchen 2, 4,
wobei sie eine im wesentlichen hexagonale Form darstellen und eine
Breite L aufweisen, die im wesentlichen gleich zu ihrer Höhe H ist.
Die Kanäle
sind mündend
oder durchgehend, sie erstrecken sich nämlich zwischen zwei gegenüber liegenden
Kanten der Schicht 10.
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In
dem vorliegenden Beispiel werden die Rillen innerhalb der zwei Plättchen 2 und 4 hergestellt. Es
kann gleichermaßen
vorgesehen werden, solche Rillen auf einem einzelnen Plättchen herzustellen, wobei
die Kanäle
durch diese Rillen und die ebene Oberfläche des anderen Plättchens
gebildet werden.
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Wie
in 4 dargestellt ist, wird dann oberhalb der Schicht 10 eine
isolierende Schicht 16 aus Kieselerde aufgetragen, auf
welcher eine zusätzliche Schicht 18 aus
monokristallinem Silizium angeordnet ist, um eine Verbundstruktur 19 zu
bilden. Die Ausführung
der Struktur 19, welche die Schichten 10, 16 und 18 einschließt, wird
auf herkömmliche
Weise bewerkstelligt durch Verfahren der Abscheidung von dünnen und
elektrolytischen Schichten, verwendet auf in der Elektronik herkömmliche
Weise.
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Ein
halbleitender Leistungskreis 20, wie zum Beispiel ein IGBT
oder eine Diode, wird auf herkömmliche
Weise mit der freien Seite der Schicht 18 mittels einer
Lötschicht 22 aus
Zinn-Blei verbunden. Es
wird darauf hingewiesen, dass im Gegensatz zu herkömmlichen
elektronischen Leistungselementen die Kontaktstellen 23 des
Kreises 20 nicht mit der Schicht 18 mittels Aluminiumfasern
verbunden sind.
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5 zeigt
eine nachfolgende Phase der Herstellung eines elektronischen Leistungselementes
gemäß der Erfindung,
welche zunächst
daraus besteht, die freie Seite der Kontaktstellen 23 mittels einer
Multischicht 24 aus Titan-Nickel-Gold zu überziehen,
deren Dicke ungefähr
0,8 Mikrometer ist und die beispielsweise mittels einem Pulverisierungsverfahren
abgeschieden wird.
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Auf
dieser Multischicht 24 wird ein Buckel 26 aus
Zinn- Blei- Silber angeordnet, dessen Größe jener der Kontaktstelle 12 entspricht.
In diesem Beispiel hat der Buckel eine Zusammensetzung aus ungefähr 2% Zinn,
95,5% Blei und 2,5 % Silber. Es wird darauf hingewiesen, dass die
Anwesenheit der Multischicht 24 dem Buckel 26 einen
hervorragenden mechanischen Halt auf der Kontaktstelle 23 verleiht.
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Danach
wird eine zweite Verbundstruktur hergestellt, in ihrer Gesamtheit
durch die Bezugsziffer 119 gekennzeichnet wird, welche
dazu bestimmt ist, eine Funktion der Wärmeübertragung und der elektrischen
Isolierung anzunehmen.
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Diese
Struktur 119 umfasst Schichten 110 und 116,
welche mit den Schichten 10 und 16 der Struktur 19 identisch
sind. Die Schicht 116 ist bedeckt durch ein ebenes Netz 118 aus
voneinander isolierten leitenden Elementen, deren Zusammensetzung angepasst
ist an jene des halbleitenden Kreises 20, den das ebene
Netz 118 bedecken muss.
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Danach
wird die zweite Struktur 119 umgedreht und es wird das
ebene Netz 118 der letztgenannten mit jedem Buckel 26,
angeordnet auf den Kontaktstellen 23 des halbleitenden
Leistungskreises 20, in Kontakt gebracht. Danach wird ein
Verschmelzen jedes Buckels 26 durchgeführt, indem er beispielsweise
auf ungefähr
330 °C für 10 Sekunden
erhitzt wird. Die Kontaktstellen 23 sind dann mit dem ebenen
Netz 118 der Verbundstruktur 119 verbunden, Netz 118,
welches angrenzend genannt wird im Gegensatz zu der Schicht 110,
die gegenüber
liegend genannt wird.
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Das
so gebildete und nachfolgend in seiner Gesamtheit durch Bezugsziffer 28 gekennzeichnete elektronische
Leistungselement ist dann in der Lage, mittels der Schichten 10 und 110 gleichzeitig
gekühlt zu
werden. Tatsächlich
sind die Kanäle 12 und 112, die
jeweils vorgesehen sind, zum Durchfluss eines gasförmigen oder
flüssigen
Kühlmittels
bestimmt und werden zu diesem Zweck mit einer Quelle eines solchen
Mittels in Verbindung gebracht.
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Die
Formgebung des elektronischen Leistungselements 28 der
Erfindung ermöglicht
zusätzlich
die Befreiung von Aluminiumfasern, mit denen für gewöhnlich die Elemente gemäß dem Stand
der Technik ausgestattet sind. Bei dieser Art übernimmt das ebene Netz 118 der
zweiten Verbundstruktur 119 die Rolle, die für gewöhnlich diesen
Aluminiumfasern zugewiesen ist.
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Die 7 bis 9 stellen
die Ausführung einer
anderen Verbundstruktur dar, die dazu bestimmt ist, in ein elektronisches
Leistungselement gemäß der Erfindung
integriert zu werden.
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Die
Herstellung erfordert zunächst
eine Verbundstruktur der Art Leiter-Isolator-Leiter in herkömmlicher
Gestaltung, dargestellt in 7. Die Struktur
umfasst eine erste Schicht 202 oder untere Schicht, beispielsweise
aus Kupfer und bedeckt von einer isolierenden Zwischenschicht 204,
welche eine zweite Metallschicht 206 trägt, oder obere Schicht, gleichermaßen aus
Kupfer hergestellt. Die leitenden Schichten 202 und 206 haben
zum Beispiel eine Dicke von 3 bis 4 mm und Hauptabmessungen von
48 × 48
mm, und die isolierende Schicht 204 weist eine Dicke von
0,635 nun und Hauptabmessungen von 50 × 50 mm auf.
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Die 8 und 9 stellen
eine Verbundstruktur dar, die dazu bestimmt ist, in ein Element
gemäß der Erfindung
eingebaut zu werden, Struktur, welche in ihrer Gesamtheit durch
die Bezugsziffer 208 gekennzeichnet wird und aus der in 7 dargestellten
Struktur hergestellt wird. Die untere Schicht 202 dieser
Struktur 208 ist mit einer Vielzahl von Kanälen oder
Leitungen 210 ausgestattet, die dazu bestimmt sind, Durchlassvorrichtungen
für ein
Kühlmittel
zu bilden. Diese Kanäle
werden parallel zu einer der Hauptabmessungen der unteren Schicht 202 ausgeführt, ausgehend
von der unteren Seite der letztgenannten, wie insbesondere in 8 dargestellt
ist. Jeder dieser Kanäle
erstreckt sich über
einen wesentlichen Teil der Dicke dieser unteren Schicht 2,
das heißtbeispielsweise über eine
Höhe von
zwischen 2 und 3 mm. Es kann gleichermaßen vorgesehen werden, dass
sich die Kanäle 210 über die
gesamte Dicke der unteren Schicht 202 erstrecken. Die Breite
der Kanäle
ist beispielsweise 200 Mikrometer und ihre Länge beträgt zwischen 40 und 50 mm. Im
Beispiel der beschriebenen Ausführungsform sind
ungefähr
50 Kanäle 210 vorgesehen,
so dass die benachbarten Kanäle
mit einem Abstand von zwischen 200 und 300 Mikrometern beabstandet
sind.
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Danach
werden, wie in 8 dargestellt, auf der oberen
Seite der Schicht 206 zwei halbleitende Leistungskreise 220 angeordnet,
welche mit den Bezugsziffern 20 der 4 bis 6 identisch
sind. Danach wird ein Buckel aus Zinn-Blei-Silber 226 auf
jeder Kontaktstelle 223 dieser halbleitenden Kreise angeordnet,
auf gleiche Weise, wie bereits unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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Danach
wird eine zweite Verbundstruktur hergestellt, in ihrer Gesamtheit
durch Bezugsziffer 308 gekennzeichnet, die die Schichten 302 und 304, identisch
zu Schichten 202 und 204, umfasst.
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Die
Schicht 304 ist des weiteren bedeckt mit einem ebenen Netz 306 aus
voneinander isolierten leitenden Elementen, deren Zusammensetzung
angepasst ist an die des halbleitenden Kreises 220, den dieses
ebene Netz bedeckt.
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Dann
wird die Struktur 308 umgedreht, und das ebene Netz 306 der
letztgenannten wird mit dem Buckel 326 in Kontakt gebracht.
Danach wird ein Verschmelzen des letztgenannten durchgeführt, auf
gleiche Weise wie bereits unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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Die
Kontaktstellen 223 werden dann mit dem ebenen Netz 306 der
zweiten Verbundstruktur 308 verbunden, Netz 306,
welches angrenzend genannt wird im Gegensatz zu der Schicht 302,
welche gegenüber
liegend genannt wird.
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Das
so gebildete elektronische Leistungselement, in seiner Gesamtheit
durch Bezugsziffer 228 gekennzeichnet, ist dann in der
Lage, gleichzeitig mittels der dem halbleitenden Kreis 220 gegenüber liegenden
Schichten 202, 302 gekühlt zu werden. Tatsächlich sind
die Kanäle 210, 310,
welche in dem letztgenannten eingerichtet sind, geeignet für den Durchfluss
eines gasförmigen
oder flüssigen
Kühlmittels
und sind zu diesem Zweck mit einer Quelle eines solchen Mittels
verbunden.
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In
diesem Beispiel führen
die Kanäle
zu der den Schichten 202 und 302 fernen Seite,
nämlich
ihrer am weitesten von dem halbleitenden Kreis 220 entfernten
Seite.
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Das
elektronische Leistungselement gemäß der Erfindung ermöglicht es,
die vorgenannten Ziele zu erreichen. Tatsächlich ermöglicht es, die Aluminiumfasern
loszuwerden, mit denen die Elemente gemäß dem Stand der Technik ausgestattet
sind. Weiter bilden diese Fasern einen begrenzenden Faktor für die Aufgabe
der Kühlung,
in dem Maße,
wie sie sich proportional zum Quadrat des Stroms, der sie durchquert,
erhitzen und es sich als schwierig erweist, sie zu kühlen, da
sie in Silikon-Gel eingelassen sind. Des weiteren können die
Aluminiumfasern die Ursache von gravierenden Funktionsmängeln des elektronischen
Leistungselements sein. Tatsächlich unterliegen
sie im Betrieb Temperaturschwankungen, so dass es möglich ist,
dass sie abbrechen.
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Das
Element der Erfindung, abgesehen davon, dass es ohne solche Aluminiumfasern
auskommt, stellt eine doppelte gleichzeitige Kühlung der halbleitenden Leistungskreise,
die diesen bilden, sicher, gleichzeitig von ihrer oberen und unteren
Seite.
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Des
weiteren übernehmen
die Verbundstrukturen, die das Element gemäß der Erfindung bilden, abgesehen
von ihren herkömmlichen
Funktionen der Wärmeübertragung
und elektrischen Isolierung eine zusätzliche Funktion der Kühlung. Dies
ermöglicht demgemäss, die
Anzahl der Schnittstellen zwischen den verschiedenen Schichten,
die das Element der Erfindung bilden, zu begrenzen, da das Kühlungselement
in jeder Verbundstruktur integriert ist. Dies hat gleichermaßen den
Effekt, den Koeffizienten des konvektiven Wechsels mit dem Kühlmittel,
welches in integrierten Kanälen
der gegenüber
liegenden Schicht jeder Verbundstruktur fließt, zu steigern.
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Dies
ermöglicht
es für
einen gegebenen nominalen Strom, ein Siliziumvolumen zu verwenden, welches
wesentlich kleiner ist als das, welches für die Herstellung von elektronischen
Leistungselementen gemäß dem Stand
der Technik benötigt
wird. Des weiteren besitzt, für
ein Siliziumvolumen vergleichbar mit jenem wie in einem Element
gemäß dem Stand der
Technik verwendet, das Element gemäß der Erfindung einen Stromgehalt,
der wesentlich erhöht
ist.