WO2006053846A1 - Halbleiterschaltmodul - Google Patents

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WO2006053846A1
WO2006053846A1 PCT/EP2005/055821 EP2005055821W WO2006053846A1 WO 2006053846 A1 WO2006053846 A1 WO 2006053846A1 EP 2005055821 W EP2005055821 W EP 2005055821W WO 2006053846 A1 WO2006053846 A1 WO 2006053846A1
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switching module
semiconductor element
semiconductor switching
module
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Walter Apfelbacher
Norbert Reichenbach
Johann Seitz
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor switching module according to the preamble of claim 1.
  • Semiconductor switch modules are used when switching several tens of amperes at operating voltages of a few hundred volts frequently and almost silently.
  • a semiconductor switching module is in Depending ⁇ ness of used power semiconductor chips for a ⁇ be approved operating voltage and current range and specified for a certain maximum switching capacity. , Must, during scarf ⁇ least generated heat to be dissipated in a suitable manner to be able to maintain these electrical specifications fturien even at high Heidelbergou ⁇ .
  • Semiconductor switch modules can be produced, for example, by the so-called bonding technology.
  • the actual power semiconductor element consisting of a connected base substrate and attached thereto Leis ⁇ processing semiconductor chip and other components, over-reaching entspre ⁇ bonding wires with connection elements.
  • connection elements are guided through the module housing of the semiconductor switching module ⁇ to the outside, so that a corresponding circuit can be made.
  • a large part of the interior of the module housing is filled with an insulating potting compound.
  • the power semiconductor element of such a semiconductor switching module can also be constructed according to the so-called planar technology.
  • planar construction of a Power semiconductor element is known for example from WO 03/030247.
  • the components are sissubstrat a Ba ⁇ , the copper layers applied from a ceramic base having both sides thereof ⁇ is applied.
  • the components can then advantage surface area and without additional wires kontak ⁇ and connected to connecting elements.
  • the use of such power semiconductor elements embodied in Planar technology eliminates the wiring required in bonding technology.
  • the insulation between the components and the electrically conductive layers is also produced here alone by the electrically insulating layers, so that can be dispensed with an additional potting compound.
  • semiconductor switching modules can be less on ⁇ compliant and thus made easier.
  • the object of the present invention is to provide such a semiconductor switching module in which, in addition, the heat dissipation is improved.
  • the dimensioning of a heat sink can be smaller or completely eliminated by this additional cooling, which ultimately leads to a simplification and leads to smaller overall dimensions of the semiconductor switching module.
  • the openings are preferably arranged on opposite side walls of the module housing. Since ⁇ by creating a flow of air as close as possible to the surface of the power semiconductor element, so that an optimized surface cooling of the power semiconductor chip and thus of the power semiconductor element is achieved.
  • an additional printed circuit board in particular a Lei ⁇ terplatte, such as a control board, so arranged in the module ⁇ housing, that a flow channel is formed to L predominantlyströmung between the openings between its surface and the surface of the semiconductor device, a higher air flow and thus a further improved cooling of the power semiconductor chip can be achieved.
  • a fan can also be arranged on one of the openings in the module housing.
  • the air flow can be increased wei ⁇ ter, so that even at low politiciansverlus ⁇ th, that is, can be dispensed with entirely on a heat sink at low switching performance.
  • FIG. 1 schematically shows a power semiconductor module embodied in planar technology
  • FIG.2 shows schematically a first embodiment of he ⁇ inventive power semiconductor module
  • 3 schematically shows a further embodiment of the power semiconductor module according to the invention
  • the semiconductor switching module 1 shown in FIG 1 shows the Leis ⁇ tung semiconductor element 110 with an applied on one side of Ba sissubstrats 111 power semiconductor chip 112.
  • a correspondingly sized heat sink 160 is provided to cool the Leis ⁇ is on the opposite side tung semiconductor element 110 .
  • the power semiconductor element 110 is completely enclosed on at least one side 10 by a module housing 120.
  • the power semiconductor chip 112 is connected to the connection elements 150.
  • This An ⁇ locking elements 150 are for interconnecting the Halbleitermo- duls performed with other modules through the module housing 120 to .
  • FIG. 2 shows the same construction as FIG.l with the difference that according to the invention openings 220 and 220 ⁇ ⁇ ⁇ are provided in the module housing 220th Due to the special arrangement of the openings, in particular in two opposite Wan ⁇ compounds of the module housing 220, as can additional heat ⁇ dissipation on the side of the power semiconductor chips can be achieved.
  • preferred of the openings 220 ⁇ and 220 ⁇ ⁇ is a direct possible sweeping the upper ⁇ surface and thus achieved an additional cooling to the side of the power semiconductor element, on which the egg ⁇ gentliche heat source, namely the power semiconductor chip is located.
  • the cooling body 260 can thus be dimensioned correspondingly smaller than the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a system constructed in planar technology semiconductor switching module 1.
  • an additional printed circuit board assembly as in ⁇ the control board game as 330 for controlling the power semiconductor element 310 is disposed in the module housing 320th This, together with the power semiconductor element 310, forms a flow channel which effects a guided air flow between the openings 320 ⁇ and 320 ⁇ ⁇ .
  • a fan 340 is provided at the openings 320 ⁇ ⁇ in order to further increase the air flow and thus the cooling effect.
  • FIG 2 and FIG 3 show only two possible embodiments of the present invention. Of the present invention, but also all other embodiments are intended to be encompassed as long as they are the same basic principle under ⁇ that substantially opposite points of the module housing has an opening at two each at least provided so as to cool the cataloggurleiterele ⁇ ments an air flow over the side of the cataloggurlei- terelements on which the power semiconductor chip befin ⁇ det, is effected.
  • the openings 420 ⁇ and 420 ⁇ ⁇ in the cover of the module housing 420 may be arranged at two entge ⁇ gengresen places (Figure 4).
  • the openings 520 vorgese ⁇ might 520 ⁇ and 520 ⁇ ⁇ also on two adjoining walls (FIG 5) of the module housing to be hen, it again being necessary to take care that these are provided at far apart points, and thus an air flow between the Openings at least large parts of the surface of the power semiconductor element sweeps over.
  • the cover instead of a printed circuit board, the cover itself may be formed so that the semiconductor device is formed Strömungska ⁇ nal to Lmonströmung between the openings between its surface and the surface a.
  • the openings, in particular the opening 520 ⁇ ⁇ may be provided with a grid. In particular, all combinations of the proposed Embodiments of the present invention should be included.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul (1), mit ei¬ nem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalbleiter¬ element (210,310) und einem, das Leistungshalbleiterelement (210,310) zumindest auf einer Seite (10) vollständig um¬ schließenden Modulgehäuse (220,320) . Dabei ist an zwei, sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Stellen des Modulgehäuses (220,320) jeweils zumindest eine Öffnung (220 Λ,220 Λ Λ, 320 Λ, 320 Λ Λ) so vorgesehen, dass zum Kühlen des Leistungshalbleiterelements (210,310) eine Luftströmung über der Seite (10) des Leistungshalbleiterelements (210,310) be- wirkt wird, die vom Modulgehäuse (220,320) umschlossen ist.

Description

Beschreibung
Halbleitersehaltmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterschaltmodule kommen dann zur Anwendung, wenn es darum geht, bei Betriebsspannungen von einigen hundert Volt, Ströme von mehreren zehn Ampere häufig und nahezu geräuschlos zu schalten. Ein Halbleiterschaltmodul ist dabei in Abhängig¬ keit des verwendeten Leistungshalbleiterchips für einen be¬ stimmten Betriebsspannungsbereich und Strombereich und damit für eine bestimmte maximale Schaltleistung spezifiziert. Um diese elektrischen Spezifikationen auch bei hohen Schalthäu¬ figkeiten einhalten zu können, muss die, während des Schal¬ tens entstehende Wärme in geeigneter Weise abgeführt werden.
Halbleiterschaltmodule können dabei beispielsweise nach der so genannten Bonding-Technologie hergestellt werden. Dabei wird das eigentliche Leistungshalbleiterelement, bestehend aus einem Basissubstrat und dem darauf angebrachten Leis¬ tungshalbleiterchip sowie weiterer Bauelemente, über entspre¬ chende Bonding-Drähte mit Anschlusselementen verbunden. Diese Anschlusselemente sind durch das Modulgehäuse des Halbleiter¬ schaltmoduls nach außen geführt, so dass eine entsprechende Beschaltung vorgenommen werden kann. Zur elektrischen Isola¬ tion sowohl der Bauelemente als auch der Bonding-Drähte wird ein Großteil des Innenraums des Modulgehäuses mit einer iso- lierenden Vergussmasse aufgefüllt. Zur Wärmeabfuhr ist zudem auf der Seite des Basissubstrats, die der Seite mit dem Leis¬ tungshalbleiterchip gegenüberliegt, ein entsprechend dimensi¬ onierter Kühlkörper angebracht .
Alternativ kann das Leistungshalbleiterelement eines solchen Halbleiterschaltmoduls auch nach der so genannten Planar- Technologie aufgebaut werden. Solch ein planarer Aufbau eines Leistungshalbleiterelements ist beispielsweise aus der WO 03/030247 bekannt. Hier werden die Bauelemente auf ein Ba¬ sissubstrat, das aus einer Keramikbasis mit beidseitig aufge¬ brachten Kupferschichten besteht, aufgebracht. Über weitere auf die Oberfläche aufgebrachte Schichten aus elektrisch iso¬ lierenden und elektrisch leitenden Materialien können die Bauelemente dann flächig und ohne zusätzliche Drähte kontak¬ tiert und mit Anschlusselementen verbunden werden. Durch die Verwendung solcher in Planar-Technologie ausgeführter Leis- tungshalbleiterelemente entfallen die bei der Bonding- Technologie benötigten Verdrahtungen. Die Isolation zwischen den Bauelementen und den elektrisch leitenden Schichten wird hier zudem alleine von den elektrisch isolierenden Schichten erzeugt, so dass auf eine zusätzliche Vergussmasse verzichtet werden kann. Somit können Halbleiterschaltmodule weniger auf¬ wändig und damit einfacher hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Halb¬ leiterschaltmodul anzugeben, bei dem zudem die Wärmeabfuhr verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Halbleiterschaltmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dadurch, dass an zwei, sich im Wesentlichen gegenüberliegen¬ den Stellen eines Modulgehäuses des Halleiterschaltmoduls je¬ weils zumindest eine Öffnung so vorgesehen ist, dass zum Küh¬ len des Leistungshalbleiterelements eine Luftströmung über der Seite des Leistungshalbleiterelements, die vom Modulge- häuse umschlossen ist, bewirkt wird, kann eine zusätzliche Wärmeabfuhr und damit verbesserte Wärmeabfuhr erreicht wer¬ den. Damit wird zum einen ein Hitzestau im Modulgehäuse ver¬ mieden, was zu einer geringeren Temperaturbelastung und damit zu einer höheren Zuverlässigkeit des Halbleiterschaltmoduls führt. Zum anderen kann durch diese zusätzliche Kühlung die Dimensionierung eines Kühlkörpers geringer ausfallen oder ganz entfallen, was letztendlich zu einer Vereinfachung und zu geringeren Gesamtabmessungen des Halbleiterschaltmoduls führt .
Bevorzugt werden die Öffnungen dabei an sich gegenüberliegen- den seitlichen Wandungen des Modulgehäuses angeordnet. Da¬ durch entsteht ein Luftstrom möglichst nahe an der Oberfläche des Leistungshalbleiterelements, so dass eine optimierte Oberflächenkühlung des Leistungshalbleiterchip und damit des Leistungshalbleiterelements erreicht wird.
Wird eine zusätzliche Flachbaugruppe, insbesondere eine Lei¬ terplatte, wie zum Beispiel eine Steuerplatine, so im Modul¬ gehäuse angeordnet, dass zwischen deren Oberfläche und der Oberfläche des Halbleiterbauelements ein Strömungskanal zur Lüftströmung zwischen den Öffnungen ausgebildet wird, kann eine höhere Luftströmung und damit eine weiter verbesserte Kühlung des Leistungshalbleiterchips erzielt werden.
Vorzugsweise kann zudem an einer der Öffnungen im Modulgehäu- se ein Lüfter angeordnet sein. Somit kann der Luftstrom wei¬ ter erhöht werden, so dass gerade bei geringen Wärmeverlus¬ ten, das heißt bei kleinen Schaltleistungen, ganz auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbil¬ dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen derselben wer¬ den im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher be- schrieben. Es zeigen:
FIG.l schematisch ein in Planar-Technologie ausgeführtes Leistungshalbleitermodul,
FIG.2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des er¬ findungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls, FIG.3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
FIG.4 und FIG.5 schematisch dargestellte Ausführungsfor- men des Modulgehäuses.
Der in FIG 1 dargestellte Aufbau eines, in Planar- Technolo¬ gie ausgeführten, Halbleiterschaltmoduls 1 zeigt das Leis¬ tungshalbleiterelement 110 mit einem auf einer Seite des Ba- sissubstrats 111 aufgebrachten Leistungshalbleiterchip 112. Zur Kühlung ist auf der gegenüberliegenden Seite des Leis¬ tungshalbleiterelements 110 ein entsprechend dimensionierter Kühlkörper 160 vorgesehen. Das Leistungshalbleiterelement 110 ist zumindest auf einer Seite 10 vollständig von einem Modul- gehäuse 120 umschlossen. Mittels entsprechender elektrisch leitender Schichten 113, die über elektrisch isolierenden Schichten 114 angeordnet sind, ist der Leistungshalbleiter¬ chip 112 mit den Anschlusselementen 150 verbunden. Diese An¬ schlusselemente 150 sind zur Verschaltung des Halbleitermo- duls mit weiteren Modulen durch das Modulgehäuse 120 an au¬ ßenliegende Kontakte geführt.
FIG.2 zeigt denselben Aufbau wie FIG.l mit dem Unterschied, dass hier erfindungsgemäß Öffnungen 220 Λ und 220 Λ Λ im Modul- gehäuse 220 vorgesehen sind. Durch die besondere Anordnung der Öffnungen, insbesondere in zwei gegenüberliegenden Wan¬ dungen des Modulgehäuses 220, kann so eine zusätzliche Wärme¬ ableitung auf der Seite des Leistungshalbleiterchips erreicht werden. Durch diese bevorzugte Anordnung der Öffnungen 220 Λ und 220 Λ Λ wird ein möglichst direktes Überstreichen der Ober¬ fläche und damit eine zusätzliche Kühlung auf der Seite des Leistungshalbleiterelements erreicht, auf der sich die ei¬ gentliche Wärmequelle, nämlich der Leistungshalbleiterchips, befindet. Durch diese zusätzliche Wärmeabfuhr kann somit der Kühlkörper 260 bei gleicher spezifizierter Schaltleistung entsprechend kleiner als in der FIG.l dargestellten Ausfüh¬ rung dimensioniert werden. FIG 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines in Planar- Technologie aufgebauten Halbleiterschaltmoduls 1. Hier ist im Modulgehäuse 320 eine zusätzliche Flachbaugruppe, wie bei¬ spielsweise die Steuerplatine 330 zum Steuern des Leistungs- halbleiterelements 310 angeordnet. Diese bildet zusammen mit dem Leistungshalbleiterelement 310 einen Strömungskanal, der eine geführte Luftströmung zwischen den Öffnungen 320 Λ und 320 Λ Λ bewirkt. Zudem ist an den Öffnungen 320 Λ Λ ein Lüfter 340 vorgesehen, um die Luftströmung und damit die Kühlwirkung noch weiter zu erhöhen.
Die beschriebenen FIG 2 und FIG 3 zeigen nur zwei mögliche Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Von der vorliegenden Erfindung sollen aber auch alle weiteren Ausführungsformen mit umfasst sein, solange sie demselben Grundprinzip unter¬ liegen, dass an zwei, sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Stellen des Modulgehäuses jeweils zumindest eine Öffnung so vorgesehen ist, dass zum Kühlen des Leistungshalbleiterele¬ ments eine Luftströmung über der Seite des Leistungshalblei- terelements, auf der sich der Leistungshalbleiterchip befin¬ det, bewirkt wird. So können beispielsweise die Öffnungen 420 Λ und 420 Λ Λ im Deckel des Modulgehäuses 420 an zwei entge¬ gengesetzten Stellen angeordnet sein (FIG 4) . Alternativ könnten die Öffnungen 520 Λ und 520 Λ Λ auch an zwei aneinander angrenzenden Wandungen (FIG 5) des Modulgehäuses 520 vorgese¬ hen sein, wobei wiederum darauf zu achten ist, dass diese an weit voneinander entfernten Stellen vorgesehen sind und somit eine Luftströmung zwischen den Öffnungen zumindest große Tei¬ le der Oberfläche des Leistungshalbleiterelements über- streicht. Zudem könnte anstelle einer Leiterplatte der Deckel selbst so ausgebildet sein, dass zwischen dessen Oberfläche und der Oberfläche des Halbleiterbauelements ein Strömungska¬ nal zur Lüftströmung zwischen den Öffnungen ausgebildet wird. Zudem können wie in FIG.5 angedeutet, die Öffnungen, hier insbesondere die Öffnung 520 Λ Λ, mit einem Gitter versehen sein. Insbesondere sollen auch alle Kombinationen der vorge- nannten Ausführungsbeispiele von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sein.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschaltmodul (1), mit einem in Planar-Technologie ausgeführten Leistungshalbleiterelement (210,310) und ei- nem, das Leistungshalbleiterelement (210,310) zumindest auf einer Seite (10) vollständig umschließende Modulgehäu¬ se (220,320), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s an zwei, sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Stellen des Modulgehäuses (220,320) jeweils zumindest eine Öffnung (220 Λ, 220 Λ Λ, 320 Λ, 320 Λ Λ) so vorgesehen ist, dass zum Kühlen des Leistungshalbleiterelements (210,310) eine Luftströ¬ mung über der Seite (10) des Leistungshalbleiterelements (210,310) bewirkt wird, die vom Modulgehäuse (220,320) um- schlössen ist.
2. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Öffnungen (220 Λ, 220 Λ Λ, 320 Λ, 320 Λ Λ) an gegenüberliegen- den seitlichen Wandungen des Modulgehäuses (220,320) ange¬ ordnet sind.
3. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine zusätzliche Flachbaugruppe (330) so innerhalb des Mo¬ dulgehäuses angeordnet ist, dass zwischen dessen Oberflä¬ che und einer Oberfläche des Halbleiterbauelements (310) ein Strömungskanal zur Lüftströmung zwischen den Öffnungen (320Λ,320Λ Λ) ausgebildet wird.
4. Halbleiterschaltmodul (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Flachbaugruppe (330) eine bestückte Leiteplatte ist.
5. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s an einer der Stellen des Modulgehäuses (220,320), an der eine Öffnung (220 Λ, 220 Λ Λ, 320 Λ, 320 Λ Λ) vorgesehen ist, ein Lüfter (340) angebracht ist.
6. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der vorherigen An¬ sprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zum Anschließen des Halbleiterschaltmoduls (1) Anschluss¬ elemente (250,350) vom Leistungshalbleiterelement (210,310) durch das Modulgehäuse (220,320) geführt sind.
7. Halbleiterschaltmodul (1) nach einem der vorherigen An¬ schlüsse 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s auf einer Seite (20) des Leistungshalbleiterelements
(210), die der Seite (10) gegenüberliegt, die vom Modulge¬ häuse (220) umschlossen ist, ein Kühlkörper (260) zum Küh¬ len des Leistungshalbleiterelements (210) angebracht ist.
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