WO1993024955A1 - Fluidgekühlte leistungstransistoranordnung - Google Patents

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WO1993024955A1
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Definitions

  • Semiconductor valves are widely used to control electrical devices and machines. Decisive for the type of used. Valve is on the one hand the size of the power to be controlled and on the other hand the maximum operating frequency. Thyristors and triacs are used for mains frequency, i.e. in the order of 50 Hz, and allow power controls up to the order of 10 megawatts. For a large number of application folds, particularly in the control of electrical machines, higher switching frequencies up to close to the mega-hertz range are required. Power transistors are used for this type of application. BIMOS power transistors and IGBT power transistors (unsulated gate bipolar transistor) can be used in the frequency range around 10 kHz with powers in the range between 10 and 100 kW. Towards higher frequencies, but at lower powers, are common
  • MOSFET power transistors used. Power semiconductor elements have to be cooled. The temperatures in the active region of the semiconductor element must not exceed
  • the semiconductor substrate is provided with a base metal plating overlapping the entire active region of the substrate, at least on one side, which, depending on the type, forms the collector or the drain electrode.
  • the remaining electrodes of the transistor, ie base and emitter or gate or source electrode, are on the opposite
  • Power transistors connect to the flat base metal plating a fluid-cooled heat sink arrangement, which dissipates the heat loss of the active region of the transistor through the semiconductor substrate and the base metal plating. Since the temperature in the active region must be kept uniformly within the predetermined limit values, it is important that the heat sink arrangement adjoins the semiconductor substrate of the semiconductor element in a planar manner with uniform heat transfer properties. A direct connection of the heat sink to the semiconductor substrate is generally not possible in view of the high voltages (1000 V and more) and high currents (for example 100 amperes), so that the semiconductor substrate is on an insulating carrier
  • Semiconductor element must be derived in the cooling arrangement. So it is common to apply the semiconductor element on a copper-clad ceramic plate and the ceramic plate with the
  • the steel plate in turn is joined with a Interlayer of a thermal paste on the example
  • the contact brushes each consist of a large number of individual pieces of wire parallel to one another, which are cooled by the cooling fluid flowing along the semiconductor element. However, the contact brushes do not allow a flat heat dissipation, such as that used for cooling the semiconductor element of a power transistor
  • DE-A-41 01 205 proposes water, air, oil or a hydrocarbon-containing coolant as the cooling fluid.
  • the invention is called a fluid-cooled
  • the invention is based on a fluid-cooled power transistor arrangement, in particular for electrical valve arrangements, which comprises:
  • a plate-shaped transistor semiconductor element which has on a first of its flat sides a metal electrode covering the entire flat side, closed surface materially connected to the semiconductor element and on its second flat side several materially spaced from each other on the
  • the semiconductor element has attached connections,
  • control and protective shading for the semiconductor element is also arranged on the insulating support and
  • the invention is based on the idea of conventional
  • the metal electrode should be cohesive and preferably be connected to the insulating support over the entire surface. In terms of its surface area, it should protrude the surface of the semiconductor element as clearly as possible and should preferably be at least 50% larger than the flat side of the semiconductor element. In addition to its electrical function, the metal electrode has a further important function, since it not only has to absorb and transmit the heat quickly, but also has to distribute it over the surface. Call this way, a uniform cooling of the
  • the cooling fluid can be a gas, preferably a pressurized gas, such as nitrogen, or a liquid, such as water or oil, especially mineral-based or paraffin-based oil, or a synthetic oil; but it can also be a gas, preferably a pressurized gas, such as nitrogen, or a liquid, such as water or oil, especially mineral-based or paraffin-based oil, or a synthetic oil; but it can also be a gas, preferably a pressurized gas, such as nitrogen, or a liquid, such as water or oil, especially mineral-based or paraffin-based oil, or a synthetic oil; but it can also be a
  • Act two-phase fluid preferably a refrigerant or CO 2 .
  • Semiconductor element on the same insulating support has a number of advantages. Not only is there a thermal coupling of the components involved, but there is also no need for separate cooling of the control and protective circuitry. The necessary
  • Connection lines are minimized, which is good for interference immunity. Only a small number of connecting lines lead to the outside.
  • the invention is particularly suitable for IGBT power transistors, but also for MOSFET power transistors that operate at high
  • Operating frequencies can switch powers in the range of 100 kW and more and in particular currents of 5 - 100 A at voltages of 100 - 1000 v.
  • the insulating support is used to fasten the semiconductor element.
  • the insulating carrier can be a carrier plate made of insulating material, in particular ceramic, on which the
  • the insulating support can also be designed as a metal plate provided with an insulating layer on at least one flat side, that is to say, for example, as a metal plate provided with an insulating oxide layer.
  • the latter configuration is particularly advantageous because the metal plate can simultaneously form the metal electrode integrally.
  • the semiconductor element can be arranged completely in the cooling fluid channel, so that the cooling fluid both on the side of the insulating carrier, which is expediently designed as a plate, and on that
  • Insulator forms a wall of the cooling fluid channel. This configuration is particularly expedient if the insulating support has several
  • Cooling fluid forced flow arranged behind one another jointly carries, since in this way several electrical valves, for example in the form of one or more half or full bridges, can be constructed in modules.
  • Particularly simple solutions are achieved if at least two opposite walls of the cooling fluid channel are formed by plate-shaped insulating supports each carrying at least one semiconductor element.
  • the two opposite insulating supports preferably carry an equal number of semiconductor elements.
  • it is sufficient if the mutually opposite insulating supports are connected by sealing strips to form a cooling fluid channel which is closed in the circumferential direction.
  • Semiconductor elements can be arranged on the inside of the cooling fluid channel or also on the outside, the latter design having the advantage that it can be connected more easily.
  • the usually plate-shaped insulating support overlaps the semiconductor element in a closed area.
  • the insulating carrier in contrast to insulating carriers of conventional power transistors, can also be designed such that it only partially overlaps with the semiconductor element, preferably just enough that the semiconductor element can be permanently attached to the insulating carrier. This has the advantage that the flat side of the metal electrode
  • the insulating support which in turn can be an insulating material plate, is expediently provided with a continuous soot saving, on the edges of which the semiconductor element is attached and at least with its first
  • the insulating support can also extend transversely to the first flat side of the semiconductor element
  • Insulating carrier only partially with the flat sides of the
  • the insulating support is designed as a profile body which has at least one or more
  • Power transistor includes.
  • the insulating carrier used to form the cooling fluid channel can, in addition to the side walls of the cooling fluid channel running transversely to the semiconductor element, also form parts of the walls running in the plane of the semiconductor element.
  • Semiconductor elements can be attached to the profile body separately and separately from one another. After the semiconductor elements, however According to conventional manufacturing methods, a larger number of common semiconductor substrates are produced, in a preferred embodiment it is provided that a plurality of semiconductor elements connected in one piece to each other are attached to the profile body. This facilitates the sealing of the cooling fluid channel.
  • Semiconductor elements can be combined to form a module, provides that at least two opposite walls of the cooling fluid are essentially completely by at least one
  • sealing strips are connected by sealing strips to form a cooling fluid channel which is closed in the circumferential direction.
  • the sealing strips can be formed by walls, the height of which may exceed the width of the semiconductor elements;
  • the sealing strips can also be comparatively flat strips.
  • the cooling fluid flow is a forced flow to ensure adequate heat transfer.
  • Preventing contamination or contamination of the semiconductor element or the insulating carrier comprises the fluid cooling arrangement
  • cooling fluid expediently a closed cooling fluid circuit in which the cooling fluid successively through the cooling fluid channel and a cooler, i.e. a heat exchanger that emits the heat to the outside.
  • a cooler i.e. a heat exchanger that emits the heat to the outside.
  • Cooling fluid circuit preferably an evaporator and a condenser, the cooling fluid channel forming the evaporator.
  • the cooling capacity can be increased if the insulating support, on its side facing away from the semiconductor element and exposed to the cooling fluid flow, is provided with a structure which increases its heat exchange surface, in particular ribs or projections.
  • a structure which increases its heat exchange surface in particular ribs or projections.
  • Heat exchange surfaces in cooling arrangements such as heat sinks or the like, are known.
  • the invention relates to measures by which the cooling capacity of the fluid cooling arrangement can be increased.
  • Line suUhe fluid cooling design can not only be used in a power transistor arrangement of the type explained above, but is generally suitable for cooling
  • Hat conductor elements possibly also those with indirect cooling via a fluid-cooled heat sink.
  • the second aspect of the invention it is provided that at least part of the wall surface of the cooling fluid channel, which is exposed to the cooling fluid flow, or in the case of a power transistor arrangement according to the type explained above, at least part of the surface of the insulating carrier or the
  • Cooling fluid flow boundary layer reducing surface microstructure is provided.
  • the invention is based on the consideration that the cooling effect of the cooling fluid flow is greater, the smaller the thickness of the flow boundary layer within which the cooling fluid flow is subjected to shear and braked. Surprisingly, it has been shown that microstructures that reduce surface friction bring about an improvement in the cooling effect of a cooling fluid flow since they reduce the boundary layer thickness. Microstructures that reduce the friction of liquids on surfaces are known and have been developed studied on the skin of sharks (D. Bechert and
  • Microstructures have been shown to be formed as a rib pattern with essentially parallel micro-ribs elongated in the flow direction of the cooling fluid flow, in particular when the micro-ribs have backs that taper at least approximately to a cutting edge.
  • the height of the ribs and their transverse distance is
  • the cooling fluid is expediently a one-component system.
  • Figure 1 is a partially sectioned, perspective
  • Figure 5 is a perspective view of a
  • Figure 5 is a sectional view of the module, seen along a line VI-VI in Figure 5;
  • Figure 7 is a sectional view of a variant of the module
  • FIG. 8 shows a sectional view of a structural unit consisting of several modules
  • Figure 9 is a schematic representation of a
  • Figure 10 is a schematic representation of a
  • Figure 11 is a schematic representation of a cooling arrangement with gaseous cooling fluid for one
  • FIG. 12 shows a perspective illustration of a surface
  • FIG. 13 shows a variant of the surface microstructure
  • Figure 14 is a sectional view through the surface microstructure, seen along the line
  • FIG. 1 shows a representation in which the thickness ratios of the individual components are not to scale
  • Power transistor module here an IGBT module, with a first chip or semiconductor element 1 with a transistor circuit comprising a plurality of power transistors and a second chip or
  • Semiconductor element 3 which contains the control electronics and protective circuit for the power transistors and is connected to the first semiconductor element 1 via connecting lines 5.
  • the semiconductor elements 1, 3 are firmly bonded to a metal plating 7, for example eutectically produced, in particular consisting of copper.
  • the metal plating 7 forms the collector of the power transistors of the semiconductor element 1 and is the same as with the semiconductor element 1 with a ceramic insulating plate 9 cohesively, flatly and homogeneously connected.
  • the insulating plate 9 is partially held on the edge in rails 11 of a cooling fluid channel 13 which is closed in the circumferential direction, in such a way that both the flat side of the semiconductor element 1 facing away from the insulating plate 9 and the flat side of the insulating plate 9 facing away from the semiconductor element 1 of a cooling fluid flow indicated by arrows 15 is exposed.
  • Control lines 17 designed as thin wires and designed as copper strips
  • Busbars 19 connect the circuits of the semiconductor elements 1, 3 to connections 21 arranged on the outside of the cooling channel 13.
  • the semiconductor element 1 is essentially directly exposed to the cooling fluid flow 15 as far as the heat transfer is concerned, so that it is from both sides is cooled over the entire surface.
  • a high power density can be achieved in this way. Since only the metal plating 7 is the only one between the semiconductor element 1 and the insulating plate 9
  • the rail 11 is preferably elastic and insulating (e.g. made of an elastomer).
  • a plurality of IGBT modules can be arranged one behind the other in the flow direction 15 on a common insulating plate, as is indicated at 23. It goes without saying that the cooling fluid need not be passed through the cooling channel 13 on both sides of the insulating plate 9. In individual cases, it may be sufficient if a cooling fluid flows through only on the side facing away from the semiconductor elements 1, 3 between the insulating plate 9 and the cooling channel 13. Alternatively, too
  • Cooling channel 13 Only the part of the semiconductor elements 1, 3 covering Cooling channel 13 may be present or used for the cooling fluid flow. It goes without saying that instead of IGBT modules, the semiconductor elements 1, 3 can also be implemented with other types of power transistor, for example bipolar power transistors or
  • control circuit provided on the semiconductor element 3 can optionally also be an external electronic one
  • Figure 2 shows a variant of the IGBT module, which differs from the structure of Figure 1 only in that the material cohesively and completely fixed on the ceramic insulating plate 9a via the metallization 7a, again plate-shaped semiconductor elements 1a, 3a except for the contact points of the 5 control lines or the contact strips 19a are covered with a thin protective layer 25 which protects the active zone of the semiconductor elements 1a, 3a from contamination with the cooling fluid.
  • the protective layer 25 can be, for example
  • FIG. 3 shows a variant of an IGBT module, the semiconductor elements 1b, 3b of which are fixed to a metal surface 7b, for example a copper plate, on a metal plate 7b corresponding to the function after the metallization 7.
  • the metal plate 7b is outside of the regions of the semiconductor elements 1b, 3b, but at least on the flat side facing away from the semiconductor elements 1b, 3b Insulating layer, for example a thin oxide layer 9b.
  • the metal plate 7b takes over in addition to the electrode function
  • FIG. 4 shows a variant in which the semiconductor elements 1c, 3c are arranged over the entire area on a metallization 7c, which at the same time has an electrode function.
  • the insulating plate 9c is provided with a continuous recess 27, at least overlapped by the semiconductor element 1c containing the power transistors, through which the cooling fluid is in direct heat exchange contact with the
  • the cooling duct together with the insulating plate 9c can also have the shape of a profile tube 13c, here a possibly one-piece rectangular tube, on which the semiconductor elements 1c, 3c are subsequently attached and from the outside. It is understood that such
  • Cooling channel designs can also be used in the variants of FIGS. 1 to 3.
  • Figure 5 shows an embodiment that allows several
  • IGBT modules each of which is the same as that previously discussed
  • the module generally designated 29 comprises two mutually parallel, made of ceramic material insulating plates 9d, which along their longitudinal edges by preferably elastic sealing strips 31 to a closed in the circumferential direction Cooling channel 13d are connected. Arrows 15d again indicate the
  • Each of the two insulating plates 9d carries on its flat side remote from the cooling channel a plurality of semiconductor elements 1d arranged one behind the other in the flow direction 15d, each of which forms a separate IGBT valve.
  • the number of semiconductor elements 1d on each of the two insulating plates 9d is the same.
  • semiconductor elements 1d are in turn positively applied over the entire surface of the insulating plates 9d via metallizations 7d.
  • the connections can be seen at 19d.
  • the protection and control circuits for the IGBT modules are not shown separately, as in FIGS. 6-8. It goes without saying that the variants of FIGS. 2 to 4 can also be used with the module 29.
  • Semiconductor elements of the type in question are usually produced several times next to one another on semiconductor substrate wafers in the same design, if necessary, several of the
  • Semiconductor elements 1d can be connected to one another in one piece, as indicated at 33 in FIG.
  • FIG. 7 shows a further variant which is based on semiconductor elements 1e which are integrally connected to one another.
  • the semiconductor elements 1e of several electrical valves in each case are cut out together from the above-mentioned substrate disk and with a
  • metal electrode 7e Metallization (metal electrode 7e) provided.
  • the metal electrodes 7e have an electrical one on the side facing the cooling fluid
  • the semiconductor element plates 1e are arranged parallel to one another and are connected to one another via sealing spacer strips 31e. Together with the spacer strips 31e, the semiconductor element plates 1e delimit a closed one in the circumferential direction Cow channel 13e.
  • the connections of the electric valves are indicated at 19e.
  • FIG. 8 shows schematically how several of the modutes 29 according to FIGS. 5 to 7 can be combined to form one structural unit.
  • the modules 29f are held in a common housing 35 parallel to one another in elastic rails 37. Its cooling duct 13f is connected at one end to a common cooling fluid supply duct 39 and at the other end to a common cooling fluid discharge duct 41. Supporting webs 43, which are arranged in the module level, are assigned to the modules 29f
  • connection organs 45 are provided.
  • the connection elements 45 serve to connect the control lines and busbars and, as indicated by lines 19f, are connected to the semiconductor elements 1f of the modules 29f.
  • the cooling fluid can be a gas under atmospheric pressure, for example nitrogen, a liquid, such as water, or an oil, in particular a mineral-based oil, paraffin-based or a synthetic oil.
  • a liquid such as water
  • an oil in particular a mineral-based oil, paraffin-based or a synthetic oil.
  • two-phase fluids such as refrigerants or CO 2 are also suitable.
  • the cooling fluid is circulated through the cooling channel in a forced flow.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a cooling arrangement with a liquid as the cooling fluid.
  • the coolant is fed by a pump 47 via a cooler or heat exchanger 49 to the cooling channel 13g in the circuit.
  • the cooling arrangement comprises a temperature control circuit 51, which uses a temperature sensor 53 to measure the temperature of 1g
  • an expansion tank for coolant is indicated at 59.
  • FIG. 10 shows a variant in which a two-phase refrigerant is used to cool the semiconductor element 1h.
  • a two-phase refrigerant is used to cool the semiconductor element 1h.
  • Heat pump the refrigerant compressed by a compressor 61 is cooled and liquefied in a condenser 63, for example by means of a fan 65.
  • the cooling channel 13h forms an evaporator in which the liquid refrigerant is introduced via a nozzle 67 or the like and is evaporated by absorbing heat.
  • the use of the refrigerant as the cooling fluid allows a more compact construction of the cooling arrangement.
  • Figure 11 shows a closed one for completeness
  • Compressor 69 is compressed before it is subsequently cooled in a cooler or heat exchanger 72 and then the cooling channel 13i for the
  • Insulating plates can be improved, in particular in the case of liquids as cooling fluid, by surface microstructures which reduce the boundary layer thickness of the cooling fluid.
  • the boundary layer is the area of the cooling fluid flow in which the flow velocity is reduced by the friction and fluid adhesion to the wall surface. It has been shown that "shark skin" -like surface structures not only reduce fluid friction on the wall surface, but also reduce the boundary layer thickness. With decreasing boundary layer thickness the distance between the heat-emitting surfaces and the flowing regions of the heat-absorbing cooling fluid shortens.
  • FIG. 12 shows an example of such a surface microstructure that reduces the boundary layer thickness.
  • the microstructure consists of a plurality of ribs 71 which are parallel to one another and run in the flow direction 15k of the cooling fluid, the side flanks of which taper in a wedge shape to form a cutting-like back 73.
  • the ribs 71 merge into one another in concavely curved grooves.
  • the height of the ribs and their distance from one another is preferably less than the boundary layer thickness.
  • the rib shape shown in FIG. 12 has proven to be expedient; however, other rib shapes are also useful, such as ribs with a rounded back or trapezoidal ribs or the like.
  • FIGS. 13 and 14 show further boundary layer-reducing surface structures. These figures show a plan view of diamond-shaped knobs or elevations 75, which rise in a wedge shape in planes running perpendicular to the surface to be cooled in the flow direction 15 l of the cooling fluid.
  • the roof surfaces formed by the elevations 75 can be flat or can also be provided with micro-ribs similar to FIG. 12, which is indicated at 71 l.
  • the elevations 75 can also have other, generally polygonal contours. Triangular shapes with one of their corners are also suitable
  • valve structures according to the invention are in the order of the boundary layer thickness.
  • a major advantage of valve structures according to the invention is that the overall space requirement can be reduced due to the improved cooling.
  • the electric valves can thus be accommodated better than before in spatial proximity to the electrical devices to be controlled. This is of particular advantage in the case of electrical machines, for example electrical motors or electrical generators which are to be switched by the electrical valves

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Abstract

Es wird eine fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung vorgeschlagen, deren Halbleiterelement (1) über eine Metallelektrode (7) auf einem insbesondere plattenförmigen Isolierträger (9) angeordnet ist. Das Halbleiterelement (1) steht mit seiner dem Isolierträger (9) abgewandten Flachseite und/oder mit der dem Halbleiterelement (1) abgewandten Seite des Isolierträgers (9) in direktem Wärmetauschkontakt mit einem in einem Kühlfluidkanal (13) zwangsweise zirkulierenden Kühlfluid. Der Isolierträger (9) oder auch das Halbleiterelement (1) kann hierbei Wandbereiche des Kühlfluidkanals (13) bilden. Die mit dem Kühlfluid in Kontakt stehenden, zu kühlenden Wandflächen können zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer die Grenzschichtdicke der Kühlfluidströmung mindernden Oberflächen-Mikrostruktur versehen sein. Die Verbesserung der Kühlwirkung verringert den benötigten Bauraum, so daß die elektrischen Ventile in unmittelbarer Nähe des zu schaltenden elektrischen Geräts untergebracht werden können. Dies ist insbesondere bei elektrischen Maschinen zur Minderung von Zuleitungsinduktivitäten von Vorteil. Zweckmäßigerweise werden die elektrische Maschine und die elektrischen Ventile von einem gemeinsamen Kühlfluidkreislauf gekühlt.

Description

Fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Fluidkühlung von
Halbleiterelementen, insbesondere eine fluidgekühlte
Leistungstransistoranordnung.
Zur Steuerung elektrischer Geräte und Maschinen werden in großem Umfang Halbleiterventile eingesetzt. Maßgebend für die Art des einzusetzender. Ventils ist einerseits die Größe der zu steuernden Leistung und andererseits die maximale Betriebsfrequenz. Thyristoren und Triacs werden bei Netzfreαuenz, d.h. in der Größenordnung von 50 Hz, eingesetzt und erlauben Leistungssteuerungen bis in der Größenordnung von 10 Megawatt. Für eine Vielzahl Rnwendungsfalte, insbesondere bei der Steuerung elektrischer Maschinen, werden jedoch höhere Schaltfrequenzen bis nahe an den Mega-Hertz-Bereich gefordert. Für Rnwendungsfalle dieser Art werden Leistungstransistoren eingesetzt. Im Frequenzbereich um 10 kHz bei Leistungen in der Größenordnung zwischen 10 und 100 kW können BIMOS-Leistungstransistoren und IGBT-Leistungstransistoren Unsulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt werden. Zu höheren Frequenzen hin, jedoch bei niedrigeren Leistungen, werden üblicherweise
MOSFET-Leistungstransistören eingesetzt. Leistungshalbleiterelemente müssen gekühlt werden. Im aktiven Bereich des Halbleiterelements dürfen die Temperaturen nicht über
verhältnismäßig niedrige Temperaturwerte hinaus ansteigen. Die
Verlustwärme muß nicht nur durch das Halbleitersubstrat hindurch abgeführt werden, sondern auch durch Elektrodenplattierungen und mehrschichtige Trägerplatten, auf die das Halbleitersubstrat auf gebrach t ist. Bei Leistungstransistoren der vorstehend erläuterten Art ist das Halbleitersubstrat zumindest auf einer Seite flächig mit einer den gesamten aktiven Bereich des Substrats überlappenden, je nach Typ den Kollektor oder die Drain-Elektrode bildenden Basis-Metallplattierung versehen. Die übrigen Elektroden des Transistors, also Basis und Emitter oder Gate- bzw. Source-Elektrode, sind auf der gegenüberliegenden
Flachseite des Halbleitersubstrats zugänglich. Bei herkömmlichen
Leistungstransistoren schließt an die flächige Basis-Metallplattierung eine fluidgekühlte Kühlkörperanordnung an, die die Verlustwärme des aktiven Bereichs des Transistors durch das Halbleitersubstrat und die Basis-Metallplattierung hindurch abführt. Da die Temperatur im aktiven Bereich gleichmäßig innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte gehalten werden muß, kommt es darauf an, daß die Kühlkörperanordnung flächig mit gleichmäßigen Wärmeübergangseigenschaften an das Halbleitersubstrat des Halbleiterelements anschließt. Ein direkter Anschluß des Kühlkörpers an das Halbleitersubstrat ist angesichts der hohen Spannungen (1000 V und mehr) und hohen Ströme (beispielsweise 100 Ampere) in der Regel nicht möglich, so daß das Halbleitersubstrat auf einem Isolierträger
aufgebracht werden muß, über den bei bisherigen
Leistungstransistoranordnungen die Verlustwärme aus dem
Halbleiterelement in die Kühlanordnung abgeleitet werden muß. So ist es üblich, das Halbleiterelement auf einer beidseitig kupf erplattierten Keramikplatte aufzubringen und die Keramikplatte mit der dem
Halbleiterelement fernen Seite auf eine Trägerplatte, zum Beispiel aus Stahl, aufzulöten. Die Stahlplatte wird ihrerseits mit e iner Zwischenschicht einer Wärmeleitpaste auf das beispielsweise
wassergekühlte Kühlelement aufgesetzt. Geeignete Kühlkörperanordnungen sind beispielsweise aus EP-A-447 635 bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Schaltleistungskapazität von Leistungstransistoren vielfach nicht vollständig ausgenutzt werden kann, oder aber es zu Ausfällen von Leistungstransistoren kommt, wenn in der die Keramikplatte mit der Stahlplatte verbindenden Lötschicht oder in der
Wärmeleitpastenbeschichtung Inhomogenitäten verbleiben, die zu einer lokalen überhitzung des Halbleiterelements und damit zur Zerstörung des Transistors führen können.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung von Leistungstransistoren ist es bekannt, die auf der substratfernen Seite angeschlossenen
Zuleitungsbänder mit Kühlkörpern zu versehen, die die Kühlung des aktiven Bereichs des Halbleiterelements verstärken (EP-A-252 429 und EP-A-449 435). Gleichfalls ist es bekannt (EP-A-260 370), auf der von der aktiven Fläche fernen Flachseite des Halbleiterelements einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper stoffschlüssig anzubringen und die Kühlrippen einer Kühlluftströmung auszusetzen.
Schließlich ist es aus der DE-A-41 01 205 bekannt, das plattenförmige Halbleiterelement einer Leistungsdiode bzw. eines Leistungsthyristors in einem Kühlfluidkanal anzuordnen und beidseitig durch nachgiebige
Kontaktbürsten zu kontaktieren. Die Kontaktbürsten bestehen jeweils aus einer Vielzahl einzelner untereinander paralleler Drahtstücke, die durch das am Halbleiterelement entlang strömende Kühlfluid gekühlt werden. Die Kontaktbürsten erlauben jedoch keine flächige Wärmeabfuhr, wie sie für die Kühlung des Halbteiterelements eines Leistungstransistors
erforderlich wäre. Als Kühlfluid wird in DE-A-41 01 205 Wasser, Luft, öl oder ein kohlenwasserstoffhaltiges Kühlmittel vorgeschlagen. Es ist Rufgabe der Erfindung, eine fluidgekühlte
Leistungstransistoranordnung zu schaffen, bei der zuverlässiger als bisher für eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiterelements der
Leistungstransistoranordnung gesorgt ist.
Die Erfindung geht von einer fluidgekühlten Leistungstransistoranordnung inbesondere für elektrische Ventilanordnungen aus, welche umfaßt:
- ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement, das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflächig stoff schlüssig mit dem Halbleiterelement verbundene Metallelektrode und auf seiner zweiten Flachseite mehrere im Abstand voneinander stoff schlüssig an dem
Halbleiterelement angebrachte Anschlüsse trägt,
- einen in Richtung der ersten Flachseite über das Halbleiterelement vorstehenden, elektrisch isolierenden Isotierträger, an dem das Halbleiterelement mit seiner dem Isolierträger zugewandten ersten Flachseite gehalten ist und
- eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der
Flachseiten des Halbleiterelements stehende Fluid-Kühlanordnung mit einem Kühlfluidkanal und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströmung eines Kühlfluids in dem Kühlfluidkanal.
Ausgehend von einer solchen Leistungstransistoranordnung wird die vorstehende Aufgabe gemäß dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst,
- daß auf dem Isolierträger auch die Steuer- und Schutzbeschattung für das Halbleiterelement angeordnet ist und
- daß der Isolierträger und/oder das Halbleiterelement mit mindestens einer seiner Flachseiten direkt der Kühlfluid-Zwangsströmung in dem Kühlfluidkanal ausgesetzt ist, wobei der Kontakt mit dem Kühlfluid im wesentlichen über die gesamte Fläche der Flachseite erfolgt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 - 28 angegeben.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die bei herkömmlichen
Leistungstransistoren für die Befestigung am Kühlkörper vorgesehenen Trägerplatten bis auf den für den Betrieb erforderlichen Isolierträger wegzulassen und statt dessen mindestens eine Flachseite, vorzugsweise den Isolierträger und gegebenenfalls das Halbleiterelement im Bereich seiner Metallelektrode direkt und möglichst über seine gesamte
Flachseitenfläche dem Kühlfluid auszusetzen. Zusätzlich kann das gegebenenfalls mit einer dünnen Schutzbeschichtung versehene
Halbleiterelement auch an der dem Isolierträger abgewandten Seite dem Kühlfluid ausgesetzt werden. Die Metallelektrode sollte stoffschlüssig und vorzugsweise vollflächig mit dem Isolierträger verbunden sein. Sie sollte in ihrer Flächenausdehnung die Fläche des Halbleiterelements möglichst deutlich überragen und vorzugsweise um mindestens 50 % größer sein als die Flachseite des Halbleiterelements. Der Metallelektrode kommt dabei nämlich neben ihrer elektrischen eine weitere wichtige Funktion zu, da sie nicht nur die entstehende Wärme schnell aufnehmen und weiterleiten muß, sondern darüberhinaus auch in der Fläche verteilen muß. Ruf diese Weise läßt sich eine gleichmäßige Kühlung des
Halbleiterelements erreichen, da stoff schlüssige Verbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Materialschichten, beispielsweise von Trägerplatten oder dergleichen, auf ein Minimum beschränkt sind. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein Gas, vorzugsweise ein unter Druck stehendes Gas, wie zum Beispiel Stickstoff, oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Öl, speziell öl auf Mineralbasis oder Paraffinbasis, oder ein synthetisches öl handeln; es kann sich aber auch um ein
Zwei-Phasen-Fluid, vorzugsweise ein Kältemittel oder CO2 handeln. Die Rnordnung der Steuer- und Schutzbeschaltung für das
Halbleiterelement auf demselben Isolierträger bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Es erfolgt nicht nur eine thermische Kopplung der beteiligten Bauelemente, sondern es entfällt auch eine separate Kühlung der Steuer- und Schutzbeschaltung. Die erforderlichen
Verbindungsleitungen werden minimiert, was der Störungssicherheit zu gute kommt. Es führt nur eine geringe Zahl von Anschlußleitungen nach außen.
Die Erfindung ist speziell für IGBT-Leistungstransistoren geeignet, jedoch auch für MOSFET-Leistungstransistoren, die bei hohen
Betriebsfrequenzen Leistungen im Bereich von 100 kW und mehr und insbesondere Ströme von 5 - 100 A bei Spannungen von 100 - 1000 v schalten können.
Der Isolierträger wird wie bisher zur Befestigung des Halbleiterelements ausgenutzt. Bei dem Isolierträger kann es sich um eine Trägerplatte aus Isoliermaterial, insbesondere Keramik handeln, an der das
Halbleiterelement mit seiner Metallelektrode geschlossenflächig, stoffschlüssig angebracht ist. Alternativ kann der Isolierträger aber auch als zumindest auf einer Flachseite mit einer Isolierschicht versehene Metaltplatte ausgebildet sein, also beispielsweise als mit einer isolierenden Oxidschicht versehene Metattplatte ausgebildet sein. Die letztgenannte Ausgestaltung ist insbesondere deswegen von Vorteil, weil die Metallplatte zugleich integral die Metallelektrode bilden kann.
Das Halbleiterelement kann vollständig in dem Kühlfluidkanal angeordnet sein, so daß das Kühlfluid sowohl auf der Seite des zweckmäßigerweise als Platte ausgebildeten Isolierträgers als auch auf der dem
Isolierträger abgewandten Seite des Halbleiterelements kühlend
entlangströmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung mit einem plattenförmigen Isolierträger ist jedoch vorgesehen, daß der
Isolierträger eine Wand des Kühlf luidkanals bildet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Isolierträger mehrere
Halbleiteretemente nebeneinander, insbesondere in Richtung der
Kühlf luid-Zwangsströmung hintereinander angeordnet gemeinsam trägt, da sich auf diese Weise mehrere elektrische Ventile, beispielsweise in Form von ein oder mehreren Halb- oder Vollbrücken modulartig aufbauen lassen. Zu besonders einfachen Lösungen gelangt man, wenn zumindest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlf luidkanals durch plattenförmige, jeweils wenigstens ein Halbleiterelement tragende Isolierträger gebildet sind. Um eine gleichmäßige Kühlung und Wärmedehnung zu erreichen, tragen die beiden sich gegenüberliegenden Isolierträger bevorzugt eine gleiche Anzahl Halbleiterelemente. In der einfachsten Ausgestaltung genügt es, wenn die sich gegenüberliegenden Isolierträger durch Dichtleisten zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind.
Bei den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen, bei welchen die
Isolierträger Wände des Kühlfluidkanals bilden, können die
Halbleiterelernente auf der Innenseite des Kühlf luidkanals oder auch auf der Außenseite angeordnet sein, wobei letztere Gestaltung den Vorteil hat, daß sie leichter angeschlossen werden kann.
Bei herkömmlichen Leistungstransistoren überlappt der üblicherweise plattenf örmige Isolierträger geschlossenflächig das Halbleiterelement. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann im Gegensatz zu Isolierträgern herkömmlicher Leistungstransistoren der Isolierträger auch so ausgebildet sein, daß er nur partiell mit dem Halbleiterelement überlappt, vorzugsweise gerade so viel, daß das Halbleiterelement dauerhaft an dem Isolierträger befestigt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die mit der Metallelektrode versehene Flachseite des
Halbleiterelements ohne Zwischenschaltung des Isolierträgers unmittelbar der Kühlfluidströmung ausgesetzt werden kann. Als Isol ierträger werden dabei Wände des Kühlfluidkanals ausgenutzt. Der Isolierträger, bei dem es sich wiederum um eine Isoliermaterial-Platte handeln kann, ist zweckmäßig mit einer durchgehenden Russparung versehen, an deren Rändern das Halbleiterelement befestigt und zumindest mit seiner ersten
Flachseite durch die Russparung hindurch der Kühlf luidströmung
ausgesetzt ist. Insbesondere kann der Isolierträger darüber hinaus auch quer zur ersten Flachseite des Halbleiterelements verlaufende
Seitenwände des Kühlfluidkanals aufweisen, beispielsweise in der Form, daß der Isolierträger zumindest im Bereich der Russparung im
wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat, so daß an den Rändern der durch den U-förmigen Querschnitt gebildeten Schenkel das Halbleiterelement aufsitzt und insgesamt ein Kühlfluidkanal mit etwa rechteckigem
Querschnitt gebildet wird.
Es versteht sich, daß auch in der Ausgestaltung, bei welcher der
Isolierträger lediglich teilweise mit den Flachseiten des
Halbleiterelements überlappt, mehrere der Hatbleiterelemente an einem gemeinsamen Isolierträger zu einem Modul zusammengefaßt werden könnten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Isolierträger als Profilkörper ausgebildet ist, der wenigstens ein oder mehrere in
Strömungsrichtung des Kühlfluids hintereinander angeordnete
Halbleiterelemente trägt, von denen jedes zumindest einen
Leistungstransistor umfaßt. Der zur Bildung des Kühlfluidkanals ausgenutzte Isolierträger kann neben den quer zum Halbleiterelement verlaufenden Seitenwänden des Kühlf luidkanals auch Teile der in der Ebene des Halbleiterelements verlaufenden Wände bilden.
Bei der vorstehend erläuterten Ausgestaltung können die
Halbleiterelemente jeweils für sich und voneinander gesondert an dem Profilkörper befestigt sein. Nachdem die Halbleiterelemente jedoch entsprechend herkömmlichen Herstellungsverfahren in größerer Anzahl auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat hergestellt werden, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß jeweils mehrere einteilig miteinander verbundene Halbleiterelemente an dem Profilkörper befestigt werden. Dies erleichtert die Abdichtung des Kühlfluidkanals.
Eine besonders einfache Ausgestaltung, bei welcher mehrere
Halbleiterelemente zu einem Modul zusammengefaßt werden können, sieht vor, daß zumindest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlfluidianals im wesentlichen vollständig durch jeweils wenigstens ein
Halbleiterelement gebildet sind und die sich gegenüberliegenden
Halbleiterelemente durch Dichtleisten zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind. Die Dichtleisten können durch Wände gebitdet sein, die gegebenenfalts in ihrer Höhe die Breite der Halbleiterelemente übertreffen; bei den Dichtleisten kann es s i ch aber auch um vergleichsweise flache Leisten handeln.
Bei der Kühlf luidströmung handelt es sich um eine Zwangsströmung, um einen hinreichenden Wärmetransport zu gewährleisten. Um eine
Verschmutzung oder Kontaminierung des Halbleiterelements oder des Isolierträgers zu verhindern, umfaßt die Fluid-Kühlanordnung
zweckmäßigerweise einen geschlossenen Kühlfluidkreislauf, in welchem das Kühlfluid nacheinander durch den Kühlfluidkanal und einen Kühler, d.h. einen die Wärme nach außen abgebenden Wärmetauscher, zirkuliert. Soweit als Kühlfluid ein Zwei-Phasen-Fluid benutzt wird, umfaßt der
Kühlf luidkreislauf bevorzugt einen Verdampfer und einen Kondensator, wobei der Kühlfluidkanal den Verdampfer bildet. Eine solche nach Art einer Wärmepumpe arbeitende Anordnung erlaubt auch bei geringerer Fluidströmung eine hinreichende Kühlung. Insbesondere bei Isolierträgern, die vollflächig mit dem
Halbleiterelement verbunden sind, kann die Kühlleistung erhöht werden, wenn der Isolierträger auf seiner dem Halbleiterelement abgewandten, der Kühlfluidströmung ausgesetzten Seite mit einer seine Wärmetauschfläche vergrößernden Struktur, insbesondere Rippen oder Vorsprüngen, versehen ist. Soweit im Vorstehenden von plattenförmigen Isolierträgern die Rede ist, sollen derartige Strukturen jeweils mit eingeschlossen sein.
Die Verwendung von Rippen oder dergleichen zur Vergrößerung der
Wärmetauschflächen bei Kühlanordnungen, wie zum Beispiel Kühlkörpern oder dergleichen, ist bekannt. Unter einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung Maßnahmen, durch die die Kühlleistung der Fluid-Kühlanordnung erhöht werden kann. Line suUhe Fl u id-Kühl anurdnung kann nicht nur bei einer Leistungstransistoranordnung der vorstehend erläuterten Art eingesetzt werden, sondern eignet sich allgemein zur Kühlung von
Hatbleiterelementen, gegebenenfalls auch solchen mit indirekter Kühlung über einen fluidgekühlten Kühlkörper. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der Wandoberfläche des Kühlfluidkanals, der der Kühlfluidströmung ausgesetzt ist, bzw. bei einer Leistungstransistoranordnung gemäß der vorstehend erläuterten Art zumindest ein Teil der Oberfläche des Isolierträgers oder des
Halbleiterelements mit einer die Dicke der
Kühlfluid-Strömungsgrenzschicht mindernden Oberflächen-Mikrostruktur versehen ist. Die Erfindung geht hierbei von der überlegung aus, daß der Kühleffekt der Kühlfluidströmung umso größer ist, je geringer die Dicke der Strömungsgrenzschicht ist, innerhalb der die Kühlfluidströmung auf Scherung beansprucht und gebremst wird, überraschenderweise hat sich gezeigt, daß MikroStrukturen, die die Oberflächenreibung mindern, eine Verbesserung der Kühlwirkung einer Kühlfluidströmung bewirken, da sie die Grenzschichtdicke herabsetzen. MikroStrukturen, die die Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen mindern, sind bekannt und wurden unter anderem an der Haut von Haifischen studiert (D. Bechert und
M. Bartenwerfer "The Viscous Flow on Surfaces with Longitudinal Ribs" J. Fluidmec. 1989), Vol. 206, Seiten 105 bis 129, und D. Bechert, G. Hoppe "On the Drag Reduction of the 5hark Skin" RIRR Share Flow Control Conference, March 12-14, 1985, Boulder, Colorado).
Als besonders geeignet zur Kühlleistungsverbesserung haben sich
Mikrostrukturen erwiesen, die als Rippenmuster mit in Strömungsrichtung der Kühlfluidströmung langgestreckten, im wesentlichen parallelen Mikrorippen ausgebildet sind, und zwar insbesondere dann, wenn die Mikrorippen zumindest angenähert zu einer Schneide sich verjüngende Rücken haben. Die Höhe der Rippen und ihr Querabstand liegt
zweckmäßigerweise in der Größenordnung der Grenzschichtdicke oder ist kleiner als die Grenzschichtdicke. Bei dem Kühlfluid handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Einstoff System.
Im folgenden werden Rusführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
Figur 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische
Darstellung einer fluidgekühlten
Leistungstransistoranordnung;
Figur 2 bis 4 Schnittansichten von Varianten der
Leistungstransistoranordnung nach Figur 1;
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines
fluidgekühlten Moduls mit mehreren
Leistungstransistoren;
Figur 5 eine Schnittansicht des Moduls, gesehen entlang einer Linie VI-VI in Figur 5;
Figur 7 eine Schnittansicht einer Variante des Moduls aus
Figur 5; Figur 8 eine Schnittansicht einer aus mehreren Modulen bestehenden Baueinheit;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer
Flüssigkeitskühlanordnung für einen
Leistungstransistor;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer
Kältemittel-Kühlanordnung für einen
Leistungstransistor;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung mit gasförmigem Kühlfluid für einen
Leistungstransistor;
Figur 12 eine perspektivische Darstellung einer Oberflächen-
Mikrostruktur zur Verbesserung der Kühlleistung eines fluidgekühlten elektrischen Ventils;
Figur 13 eine Variante der Oberflächen-Mikrostruktur;
Figur 14 eine Schnittansicht durch die Oberflächen- Mikrostruktur, gesehen entlang der Linie
XIV-XIV in Figur 13.
Figur 1 zeigt i n einer Darstellung, in der die Dickenverhältnisse der einzelnen Komponenten nicht maßstabsgetreu sind, ein
Leistungstransistormodul, hier ein IGBT-Modul, mit einem ersten Chip bzw. Halbleiterelement 1 mit einer mehrere Leistungstransistoren umfassenden Transistorschaltung und einem zweiten Chip bzw.
Halbleiterelement 3, welches die Steuerelektronik und Schutzbeschaltung für die Leistungstransistoren enthält und über Verbindungsleitungen 5 mit dem ersten Halbleiterelement 1 verbunden ist. Die Halbleiterelemente 1, 3 sind stoff schlüssig mit einer beispielsweise eutektisch erzeugten, insbesondere aus Kupfer bestehenden Metallplattierung 7 fest verbunden. Die Metallplattierung 7 bildet den Kollektor der Leistungstransistoren des Halbleiterelements 1 und ist ebenso wie mit dem Halbleiterelement 1 mit einer keramischen Isolierplatte 9 stoffschlüssig, flächig und homogen verbunden. Die Isolierplatte 9 ist teilweise randseitig in Schienen 11 eines in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanals 13 gehalten, und zwar so, daß sowohl die der Isolierplatte 9 abgewandte Flachseite des Halbleiterelements 1 als auch die dem Halbleiterelement 1 abgewandte Flachseite der Isolierplatte 9 einer durch Pfeile 15 angedeuteten Kühlf luidströmung ausgesetzt ist. Als dünne Drähte ausgebildete Steuerleitungen 17 und als Kupferbänder ausgebildete
Stromschienen 19 verbinden die Schaltungen der Halbleiterelemente 1, 3 mit auf der Außenseite des Kühlkanals 13 angeordneten Anschlüssen 21. Von den beiden Halbleiterelementen ist zumindest das Halbleiterelement 1, was den Wärmedurchgang anbetrifft, im wesentlichen unmittelbar dem Kühlfluidstrom 15 ausgesetzt, so daß es von beiden Seiten ganzflächig gekühlt wird. Trotz kompakter Abmessungen läßt sich auf diese Weise eine hohe Leistungsdichte erreichen. Da zwischen dem Halbleiterelement 1 und der Isolierplatte 9 Lediglich die Metallplattierung 7 als einzige
Zwischenschicht verbleibt, läßt sich mit hinreichender Sicherheit eine homogene, stoffschlüssige Verbindung zwischen Halbleiterelement 1 und Isolierplatte 9 erreichen, was der Temperaturfestigkeit und
Betriebssicherheit des IGBT-Moduls zugute kommt. Die Schiene 11 ist vorzugsweise elastisch und isolierend (z.B. aus einem Elastomer) ausgeführt.
In dem Kühlkanal 13 können mehrere IGBT-Module in Strömungsrichtung 15 hintereinander auf einer gemeinsamen Isolierplatte angeordnet sein, wie dies bei 23 angedeutet ist. Es versteht sich, daß das Kühlfluid nicht auf beiden Seiten der Isolierplatte 9 durch den Kühlkanal 13 geleitet werden muß. Im Einzelfall kann es genügen, wenn lediglich auf der den Halbleiterelementen 1, 3 abgewandten Seite zwischen Isolierplatte 9 und Kühlkana l 13 ein Kühlfluid hindurchströmt. Alternativ kann auch
Lediglich der die Halbleiterelemente 1, 3 überdeckende Teil des Kühlkanals 13 vorhanden bzw. für die Kühlfluidströmung ausgenutzt sein. Es versteht sich, daß anstelle von IGBT-Modulen die Halbleiterelemente 1, 3 auch mit anderen Leistungstransistortypen realisiert sein können, beispielsweise Bipolar-Leistungstransistoren oder
MOSFET-Leistungstransistoren mit oder ohne Treiberstuf en oder
Schutzbeschaltung. Auch kann die auf dem Halbleiterelement 3 vorgesehene Steuerschaltung gegebenenfalls durch eine externe elektronische
Schaltung ersetzt sein.
Figur 2 zeigt eine Variante des IGBT-Moduls, die sich von dem Aufbau der Figur 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß die über die Metallisierung 7a stoff schlüssig und ganzflächig auf der keramischen Isolierplatte 9a befestigten, wiederum plattenförmigen Halbleiterelemente 1a, 3a bis auf die Kontaktstellen der 5teuerleitungen bzw. der Kontaktbänder 19a mit einer dünnen Schutzschicht 25 überzogen sind, die die aktive Zone der Halbleiterelemente 1a, 3a vor Kontaminierung mit dem Kühlfluid schützt. Bei der Schutzschicht 25 kann es sich beispielsweise um eine
Beschichtung aus Silikonkautschuk handeln, die von einer Metallfolie nach außen hin abgedeckt ist. Zur weiteren Erläuterung wird hier, wie auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf die vorangegangenen Figuren und deren Beschreibung Bezug genommen, wobei zur Bezeichnung gleichwirkender Komponenten die Bezugszahten der
vorangegangenen Figuren benutzt werden, allerdings unter Hinzufügung eines unterscheidenden Buchstabens.
Figur 3 zeigt eine Variante eines IGBT-Moduls, dessen Halbleiterelemente 1b, 3b auf einer der Funktion nach der Metallisierung 7 entsprechenden Metallplatte 7b, beispielsweise einer Kupferplatte, geschlossenflächig, stoffschlüssig befestigt sind. Die Metallplatte 7b ist außerhalb der Bereiche der Halbleiterelemente 1b, 3b, zumindest jedoch auf der den Halbleiterelementen 1b, 3b abgewandten Flachseite mit einer Isolierschicht, beispielsweise einer dünnen Oxidschicht 9b, versehen. Die Metallplatte 7b übernimmt neben der Elektrodenf unktion die
Befestigungsfunktion der Isolierplatte 9 aus Figur 1.
Figur 4 zeigt eine Variante, bei welcher die Halbleiterelemente 1c, 3c ganzflächig auf einer Metallisierung 7c angeordnet sind, die zugleich Etektrodenfunktion hat. Die Isolierplatte 9c ist hingegen mit einer durchgehenden, zumindest von dem die Leistungstransistoren enthaltenden Halbleiterelement 1c überlappten Aussparung 27 versehen, durch die hindurch das Kühlfluid unmittelbar in Wärmetauschkontakt mit der
Metallisierung 7c und damit dem Halbleiterelement 1c treten kann, was die Verlustwärmeabfuhr erleichtert. Die Aussparung 27 überlappt das Halbleiterelement 1c im wesentlichen vollständig. Das Halbleiterelement 1c ist lediglich im Randbereich der Russparung 27 auf der Isolierplatte 9c abgestützt. Wie in Figur 4 durch eine gestrichette Linie 13c angedeutet, kann der Kühlkanal zusammen mit der Isolierplatte 9c auch die Form eines Profilrohres 13c, hier eines gegebenenf alls einteiligen Rechteckrohrs, haben, auf dem die Halbleiterelemente 1c, 3c nachträglich und von außen befestigt werden. Es versteht sich, daß derartige
Kühlkanalkonstruktionen auch bei den Varianten der Figuren 1 bis 3 eingesetzt werden können.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das es erlaubt, mehrere
IGBT-Module, von denen jedes wie auch bei den zuvor erläuterten
Beispielen ein elektrisches Ventil bildet, zu Ventilmodulen,
insbesondere in Form von Halbbrücken oder Vollbrücken, teils in
Parallel- oder Serienschaltung, gegebenenf alls auch mehrere dieser Brücken zusammenzufassen. Das allgemein mit 29 bezeichnete Modul umfaßt zwei zueinander parallel angeordnete, aus Keramikmaterial bestehende Isolierplatten 9d, die entlang ihrer Längsränder durch vorzugsweise elastische Dichtleisten 31 zu einem in Umf angsrichtung geschlossenen Kühlkanat 13d verbunden sind. Pfeile 15d deuten wiederum die
Strömungsrichtung des Kühlfluids an. Jede der beiden Isolierplatte 9d trägt auf ihrer kühlkanalfernen Flachseite mehrere in Strömungsrichtung 15d hintereinander angeordnete Halbleiterelemente 1d, von denen jedes ein gesondertes IGBT-Ventil bildet. Die Rnzahl der Halbleiterelemente 1d auf jeder der beiden Isolierplatten 9d ist gleich. Die
Halbleiterelemente 1d sind, wie Figur 6 erkennen läßt, wiederum über Metallisierungen 7d auf die Isolierplatten 9d ganzflächig formschlüssig aufgebracht. Die Rnschlüsse sind bei 19d zu erkennen. Die Schutz- und Steuerschaltungen für die IGBT-Module sind ebenso wie in den Figuren 6-8 nicht gesondert dargestellt. Es versteht sich, daß die Varianten der Figuren 2 bis 4 auch bei dem Modul 29 eingesetzt werden können.
In Figur 5 sind die Halbleiterelemente 1d jedes Ventils voneinander gesondert und im Abstand auf den Isolierplatten 9 angeordnet. Da
Halbleiterelemente der in Rede stehenden Art üblicherweise in gteicher Gestaltung mehrfach nebeneinander auf Halbleitersubstratscheiben hergestellt werden, können gegebenenfalls auch mehrere der
Halbleiterelemente 1d einstückig miteinander verbunden sein, wie dies in Figur 5 bei 33 angedeutet ist.
Figur 7 zeigt eine weitere Variante, die auf integral miteinander verbundenen Halbleiterelementen 1e aufbaut. Die Halbleiterelemente 1e von jeweils mehreren elektrischen Ventilen werden gemeinsam aus oer vorstehend erwähnten Substratscheibe ausgeschnitten und mit einer
Metallisierung (Metallelektrode 7e) versehen. Die Metallelektroden 7e weisen auf der dem Kühlfluid zugewandten Seite eine elektrische
Isolierschicht auf. Die Halbleiterelementplatten 1e sind zueinander parallel angeordnet und sind über abdichtende Abstandleisten 31e miteinander verbunden. Zusammen mit den Abstandleisten 31e begrenzen die Halbleiterelementplatten 1e einen in Umf angsrichtung geschlossenen Kühtkanal 13e. Die Anschlüsse der elektrischen Ventile sind bei 19e angedeutet.
Figur 8 zeigt schematisch, wie mehrere der Modute 29 gemäß den Figuren 5 bis 7 zu einer Baueinheit vereinigt werden können. Die Module 29f sind in einem gemeinsamen Gehäuse 35 zueinander parallel in elastischen Schienen 37 gehalten. Ihr Kühlkanal 13f ist an einem Ende mit einem gemeinsamen Kühlfluid-Zuleitungskanal 39 und am anderen Ende mit einem gemeinsamen Kühlfluid-Ableitungskanal 41 verbunden. Den Modulen 29f sind in der Modulebene angeordnete Stützstege 43 zugeordnet, die mit
Anschlußorganen 45 versehen sind. Die Anschlußorgane 45 dienen dem Anschluß der Steuerleitungen und Stromschienen und sind, wie durch Leitungen 19f angedeutet, mit den Halbleiterelementen 1f der Module 29f verbunden.
Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein unter Atmosphärenüberdruck stehendes Gas, beispielsweise Stickstoff, eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, oder ein öl, speziell ein öl auf Mineralbasis, auf Paraffinbasis oder um ein synthetisches öl handeln. Geeignet sind aber auch Zwei-Phasen-Fluide, wie zum Beispiel Kältemittel oder CO2. Das Kühlfluid wird in einer Zwangsströmung im Kreislauf durch den Kühlkanal geleitet.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kühlanordnung mit einer Flüssigkeit als Kühlfluid. Die Kühlflüssigkeit wird von einer Pumpe 47 über einen Kühler bzw. Wärmetauscher 49 dem Kühlkanal 13g im Kreislauf zugef ührt . Di e Küh l anordnung umf aßt e inen Temperaturrege l kreis 51 , der mittels eines Temperaturfühlers 53 die Temperatur des bei 1g
angedeuteten, in Wärmetauschkontakt mit der Kühlf lüssigkeit stehenden Halbleiterelements mißt und beispielsweise mittels eines Lüfters 55, der die Kühlleistung des Kühlers 49 beeinflußt, die Halbleitertemperatur auf einen bei 57 einstellbaren Sollwert hält. Bei 59 ist der Vollständigkeit halber ein Ausgleichsgefäß für Kühlflüssigkeit angedeutet.
Figur 10 zeigt eine Variante, bei der zur Kühlung des Halbleiterelements 1h ein Zwei-Phasen-Kältemittel eingesetzt wird. Nach Art einer
Wärmepumpe wird das von einem Kompressor 61 verdichtete Kältemittel in einem Kondensator 63, zum Beispiel mittels eines Lüfters 65 abgekühl t und verflüssigt. Der Kühlkanal 13h bildet einen Verdampfer, in we l chem das flüssige Kältemittel über eine Düse 67 oder dergleichen eingeführt und durch Wärmeaufnahme verdampft wird. Die Verwendung des Kältemittels als Kühlfluid erlaubt einen kompakteren Aufbau der Kühlanordnung.
Figur 11 zeigt der Vollständigkeit halber einen geschlossenen
Kühlmittelkreislauf für ein gasförmiges Kühlfluid, das von einem
Kompressor 69 verdichtet wird, bevor es nachfolgend in einem Kühler bzw. Wärmetauscher 72 abgekühlt und dann dem Kühlkanal 13i für den
Wärmetauschkontakt mit dem Halbleiterelement 1i zugeführt wird. Es versteht sich, daß auch die Varianten der Figuren 10 und 11
temperaturgeregelt ausgeführt sein können.
Der Wärmeübergang von den zu kühlenden Oberflächen der
Halbleiterelemente bzw. der geschlossenflächig und stoffschlüssig mit den Halbleiterelementen verbundenen Metallplattierungen und
Isolierplatten läßt sich insbesondere bei Flüssigkeiten als Kühlfluid durch Oberflächen-Mikrostrukturen verbessern, die die Grenzschichtdicke des Kühlfluids vermindern. Bei der Grenzschicht handelt es sich um den Bereich der Kühlfluidströmung, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit durch die Reibung und Fluidhaftung an der Wandfläche vermindert wird. Es hat sich gezeigt, daß "Haifischhaut"-ähnliche Oberflächenstrukturen nicht nur die Flυidreibung an der Wandoberf lache mindern, sondern auch die Grenzschichtdicke herabsetzen. Mit abnehmender Grenzschichtdicke verkürzt sich der Abstand der die Wärme abgebenden Flächen zu den strömenden Bereichen des die Wärme aufnehmenden Kühlfluids.
Figur 12 zeigt ein Beispiel einer derartigen, die Grenzschichtdicke mindernden Oberflächen-Mikrostruktur. Die Mikrostruktur besteht aus einer Vielzahl zueinander paralleler, in Strömungsrichtung 15k des Kühlfluids verlaufender Rippen 71, deren Seitenflanken keilförmig zu einem schneidenartigen Rücken 73 sich verjüngen. Die Rippen 71 gehen in konkav gekrümmten Nuten ineinander über. Die Höhe der Rippen und ihr Abstand voneinander ist vorzugsweise kleiner als die Grenzschichtdicke.
Die in Figur 12 dargestellte Rippenform hat sich als zweckmäßig erwiesen; andere R ippen formen sind jedoch ebenfalls von Nutzen, beispielsweise Rippen mit gerundetem Rücken oder trapezförmige R i ppen oder dergleichen.
Weitere grenzschichtmindernde Oberflächenstrukturen zeigen die Figuren 13 und 14. Diese Figuren zeigen in der Draufsicht rautenförmige Noppen bzw. Erhebungen 75, die in senkrecht zur zu kühlenden Oberfläche in Strömungsrichtung 15 l des Kühlfluids verlaufenden Ebenen keilförmig ansteigen. Die durch die Erhebungen 75 gebildeten Dachflächen können eben sein oder ebenfalls mit Mikrorippen ähnlich Figur 12 versehen sein, was bei 71 l angedeutet ist. Anstelle der in Figur 13 dargestellten, in der Draufsicht rautenförmigen Kontur können die Erhebungen 75 auch andere, allgemein polygonförmige Konturen haben. Geeignet sind unter anderem auch Dreieckformen, die mit einer ihrer Ecken in
Strömungsrichtung 15 l weisen. Auch beim Ausführungsbeispiel der Figuren 13 und 14 liegen die Abmessungen der Erhebungen 75 in der Größenordnung der Grenzschichtdicke. Ein wesentlicher Vorteil erfindungsgemäßer Ventilstrukturen liegt darin, daß der Platzbedarf aufgrund der verbesserten Kühlung insgesamt verringert werden kann. Die elektrischen Ventile lassen sich damit besser als bisher in räumlicher Nachbarschaft zu den zu steuernden elektrischen Geräten unterbringen. Dies ist von besonderem Vorteil bei elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren oder elektrischen Generatoren mit durch die elektrischen Ventile zu schaltenden
Feldwicklungen, da die Feldwicklungen dann über sehr kurze Zuleitungen angeschlossen werden können. Durch Verkürzung der Zuleitungen kann die Schaltkreisinduktivität gesenkt und damit die Rnsprechzeit der
elektrischen Ventile verkürzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung, insbesondere in Form von IGBT, MOSFET oder BIMOS für elektrische Ventilanordnungen, umfassend
- ein plattenförmiges Transistor-Halbleiterelement (1), das auf einer ersten seiner Flachseiten eine die gesamte Flachseite abdeckende, geschlossenflächig stoff schlüssig mit dem
Halbleiterelement (1) verbundene Metallelektrode (7) und auf seiner zweiten Flachseite mehrere im Rbstand voneinander stoffschlüssig an dem Halbleiterelement angebrachte Anschlüsse (5) trägt,
- einen in Richtung der ersten Flachseite über das
Halbleiterelement (1) vorstehenden, elektrisch isolierenden Isolierträger (9; 9a; 7b, 9b; 9c), an dem das
Halbleiterelement (1) mit seiner dem Isolierträger (9; 9a; 7b, 9b; 9c) zugewandten ersten Flachseite gehalten ist
- und eine in Wärmeübertragungskontakt mit zumindest einer der Flachseiten des Halbleiterelements (1) stehende
Fluid-Kühlanordnung mit einem Kühlfluidkanal (13) und Mitteln zur Erzeugung einer Zwangsströmung (15) eines Kühlfluids in dem Kühlfluidkanal (13),
dadurch gekennzeichnet,
- daß auf dem Isolierträger (9; 9a; 7b, 9b; 9c) auch die Steuer- und Schutzbeschaltung (3) für das Halbleiterelement (1) angeordnet ist, und
- daß der Isolierträger (9; 9a; 7b, 9b; 9c) und/oder das Halbleiterelement (1) mit mindestens einer seiner Flachseiten direkt der Kühlf luid-Zwangsströmung in dem Fluidkanal (13) ausgesetzt ist, wobei der Kontakt mit dem Kühlfluid im wesentlichen über die gesamte Fläche der Flachseite erfolgt.
2. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleiterelement (1, 1a, 1d) mit seiner Metallelektrode (7, 7a, 7d) geschlossenflächig stoffschlüssig mit dem
Isolierträger (9, 9a, 9d) verbunden ist.
3. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9, 9a, 9c, 9d) insgesamt aus
Isoliermaterial, vorzugsweise aus Keramik gebildet ist.
4. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger als zumindest auf einer Flachseite mit einer Isolierschicht (9b) versehene Metallplatte (7b) ausgebildet ist.
5. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallplatte (7b) und die Metallelektrode integral ausgebildet sind.
6. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Halbleiterelement (1, 1a, 1b) abgewandte Flachseite der Kühlfluid-Zwangsströmung ausgesetzt ist.
7. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleiterelement (1a) an seiner dem Isolierträger (9a) abgewandten Flachseite, die vorzugsweise mit einer
Schutzbeschichtung (25) versehen ist, ebenfalls direkt der
Kühlfluid-Zwangsströmung ausgesetzt ist.
8. Leistungstransistoranordnung nach einem der Rnsprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallelektrode (7, 7a, 7b, 7c, 7d) in Form einer
Metallplatte ausgebildet ist, deren Größe die erste Flachseite des Halbleiterelements (1) wesentlich, vorzugsweise um mindestens 50 % überragt.
9. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9; 9d) als Platte ausgebildet ist und eine Wand des Kühlfluidkanals (13; 13d) bildet.
10. Leistungstransistor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9; 9d) mehrere Halbleiterelemente (1; 1d) nebeneinander, insbesondere in Richtung der
Kühlfluid-Zwangsströmung (15; 15d) hintereinander angeordnet gemeinsam trägt.
11. Leistungstransistor nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlf luidkanals (l3d) durch plattenförmige, jeweils wenigstens ein
Halbleiterelement (1d) tragende Isolierträger (9d) gebildet sind.
12. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet,
daß die beiden sich gegenüberliegenden Isolierträger (9d) eine gleiche Anzahl Halbleiterelemente (1d) tragen.
13. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sich gegenüberliegenden Isolierträger (9d) durch
Dichtleisten (31) zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen
Kühlfluidkanal (13d) verbunden sind.
14. Leistungstransistoranordnung nach einem der flnsprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der insbesondere als Isoliermaterial-Trägerplatte ausgebildete Isolierträger (9c) eine von dem Halbleiterelement (1c) überdeckte, durchgehende Russparung (27) aufweist, an deren Rändern das
Halbleiterelement (1c) befestigt ist, und daß zumindest die erste Flachseite des Hatbleiterelements (1c) mit der Metallelektrode (7c) durch die Aussparung (27) hindurch der Kühlf luidströmung ausgesetzt ist.
15. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9c) Teil eines Rechteckrohrs ist, das den Kühlfluidkanal (13c) bildet.
16. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9, 9a, 9c, 9d) mehrere vorzugsweise einteilig miteinander verbundene, in Strömungsrichtung des
Kühlfluids hintereinander angeordnete Halbteiterelemente (1, 1a, 1c, 1d) trägt, von denen jedes zumindest einen Leistungstransistor umfaßt.
17. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß zumi ndest zwei sich gegenüberliegende Wände des Kühlfluidkanals (13d) im wesentlichen ausschließlich durch jeweils wenigstens ein, vorzugsweise durch mehrere einteilig miteinander verbundene, in Strömungsrichtung des Kühlfluids hintereinander angeordnete
Halbleiterelemente (1e), von denen jedes zumindest einen
Leistungstransistor umfaßt, gebildet sind und die sich
gegenüberliegenden Halbleiterelemente (1d) durch Dichtleisten (31) zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Kühlfluidkanal verbunden sind.
18. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fluid-Kühlanordnung einen geschlossenen Kühlf luidkreislauf (13g, 47, 49; 13h, 61, 63; 13i, 69, 71) umfaßt, in welchem das Kühlfluid nacheinander durch den Kühlfluidkanal (13g; 13h; 13i) und einen Kühler (49; 63; 71) zirkuliert.
19. Leistungstransistoranordnung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlf luidkreislauf einen Verdampfer und einen Kondensator (63) umfaßt und daß der Kühlfluidkanal den Verdampfer (13h) bildet.
20. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlfluid ein Gas, insbesondere unter Rtmosphären-überdruc stehendes Gas, vorzugsweise N2, oder eine Flüssigkeit, vorzugsweis Wasser oder öl, speziell öl auf Mineralbasis oder Paraffinbasis oder ein synthetisches öl, oder ein Zwei-Phasen-Fluid, vorzugsweis ein Kältemittel oder CO2, ist.
21. Leisfungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolierträger (9; 7b, 9b) in dem der Kühlf luidströmung ausgesetzten Bereich mit einer seine Wärmetauschfläche
vergrößernden Struktur, insbesondere Rippen (71) oder Vorsprüngen (75), versehen ist.
22. Leistungstransistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Teil der der Kühlströmung ausgesetzten Oberfläche des Isolierträgers (9; 7b, 9b) oder des Halbleiterelements (1), mit einer die Dicke der Kühlf Luid-Strömungsgrenzschicht mindernden Oberf lächen-Mikrostruktur (71; 75) versehen ist.
23. Fluid-Kühlanordnung nach Rnspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die MikroStruktur als Rippenmuster mit in Strömungsrichtung (15k) der Kühlf luidströmung langgestreckten, im wesentlichen parallelen Mikrorippen (71) ausgebildet ist.
24. Fluid-Kühlanordnung nach Rnspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrorippen (71) zumindest angenähert zu einer Schneide (73) sich verjüngende Rücken haben.
25. Fluid-Kühlanordnung nach Anspruch 23 oder 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Rippen (71) und ihr Querabstand in der
Größenordnung oder kleiner als die Grenzschichtdicke ist.
26. Fluid-Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 22 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrostruktur eine Vielzahl vorzugsweise in einem Raster angeordnete Mikroerhebungen (75) umfaßt.
27. Fluid-Kühlanordnung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikroerhebungen (75) in der Draufsicht Polygonform, insbesondere Dreieck- oder Viereckform haben.
28. Fluid-Kühlanordnung nach Anspruch 26 oder 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikroerhebungen (75), gesehen in einer in Strömungsrichtung (15 l) verlaufenden Ebene, senkrecht zur Oberfläche keilförmig ansteigen.
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