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WO2012113584A1 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodul Download PDF

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Publication number
WO2012113584A1
WO2012113584A1 PCT/EP2012/050114 EP2012050114W WO2012113584A1 WO 2012113584 A1 WO2012113584 A1 WO 2012113584A1 EP 2012050114 W EP2012050114 W EP 2012050114W WO 2012113584 A1 WO2012113584 A1 WO 2012113584A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power semiconductor
heat sink
module
semiconductor device
contacting
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/050114
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Nübel
Christoph Koch
Elmar Krause
Reiner Barthelmess
Dirk Pikorz
Original Assignee
Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg filed Critical Infineon Technologies Bipolar Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2012113584A1 publication Critical patent/WO2012113584A1/de

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Definitions

  • the present invention relates to a module for a power semiconductor device for attachment to a heat sink and an arrangement of both.
  • the housing comprises means for so-called pressure contacting of the power semiconductor component.
  • pressure contacts have been developed for contacting high-voltage-resistant and high-current-resistant components.
  • high-voltage-resistant semiconductor components are high-voltage thyristors, which are the central components in high-voltage converters for the distribution of electrical energy. Especially for such systems, high demands are placed on the reliability of the components.
  • the power semiconductor devices or the like are contacted on a carrier receiving the electronic components by spring-biased pressure contacts or the like.
  • the production and maintenance of a mechanical and thus electrical contact between a contact region of an electronic component and a current-carrying contact is essentially carried out by the mechanically applied forces.
  • This has the advantage that by a corresponding adjustment of the mechanical forces - for example, by means of tensioning devices or spring devices - the thermal exchange loads due to the associated with this mechanical fixation mechanical tolerances can be sufficiently taken into account.
  • the semiconductor device is also in thermally conductive contact with a heat sink to avoid possible damage due to overheating.
  • a heat sink By means of the heat sink, the size of the heat-emitting surface is increased and thus the heat transfer from the semiconductor device to the surrounding medium, such as air, is improved.
  • a metallic pressure-receiving plate is present which, on the one hand, is in thermal contact with the semiconductor component and, on the other hand, with the heat sink.
  • the pressure-receiving plate also called pressure plate, serves not only the heat transfer between the power semiconductor component and the heat sink but primarily as an abutment for the DruckWalletmaschinesmit- tel.
  • the pressure-absorbing plate is in the prior art namely comparatively rigid, with the disadvantage that this plate not even slight deviations from the predetermined shape of the contact area, such as roughness or by the aforementioned bending resulting deviations, between the heat sink and this plate can compensate.
  • the thermal resistance there is a risk of destruction and failure of the power semiconductor device.
  • the present invention has the object to provide a module for a power semiconductor device for attachment to a heat sink and a respective arrangement of both, by means of which the heat transfer between power semiconductor device and heat sink is improved or ensured and in particular both are cheaper to manufacture ,
  • This object is achieved by a module with the features of claim 1.
  • particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims. An equally advantageous use and a mounting method are each the subject of the independent claims. It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with each other in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.
  • the present invention relates to a module for at least one power semiconductor component for attachment to a heat sink, so as to couple the waste heat of the power semiconductor component via a coupling surface in the heat sink.
  • the power semiconductor component and its number the invention is not limited.
  • it is a silicon controlled rectifier (SCR), power regulator, power transistor, insulated gate bipolar transistor (IGBT), metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), power rectifier, a diode such as a Schottky diode, a J-FET, a thyristor, for example Gate turn-off thyristor, a gate-communicated thyristor, a TRIAC, a DIAC or a Fotothyristor is.
  • SCR silicon controlled rectifier
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the at least one power semiconductor component has a disc-shaped form, wherein one of the flat main sides should face the heat sink.
  • the power semiconductor components are interconnected, for example, as a half bridge, full bridge or three-phase bridge.
  • a housing made of an electrically insulating material, for example a non-conductive, high-voltage-resistant plastic (eg duroplastic) is provided, which has a receptacle, for example an opening, for which at least one power semiconductor component.
  • the breakthrough is designed, for example, such that it receives the power semiconductor component in a form-fitting manner in cross-section and extends perpendicularly to the contact surface or coupling surface facing the heat sink.
  • the housing or the receptacle serves, for example, for receiving a non-conductive filler, for example an initially flowable but curable filler, in order to "pour in" the at least one component in the housing.
  • contacting means are furthermore provided in order to electrically contact the at least one power semiconductor component, which is located, for example, in the receptacle of the optionally present housing.
  • the contacting means have at least one areal contact area for contacting the component and are formed at the other end in accordance with the desired connection technique, for example as a male plug contact and / or screw connection.
  • biasing means are furthermore provided which bias the contacting means against the power semiconductor component for electrical contacting and the power semiconductor component against the heat sink for thermal contacting.
  • the contacting agents at least partially disposed between the biasing means and the power semiconductor device.
  • fastening means for fastening the biasing means to the heat sink are provided according to the invention. These can be completely or partially formed separately and attached to the heat sink. For example, it is u.a. by a screw that can be screwed into a screw thread of the heat sink. According to a further embodiment, the fastening means are formed on the heat sink; For example, a groove receiving the biasing means is provided on the heat sink.
  • the biasing means take over at least both the function of the electrical pressure contact and the thermal contacting between the power semiconductor component and the heat sink, for example by arranging the power semiconductor component and the contacting means between the heat sink and the biasing means after mounting ,
  • the biasing means also serve to fix the position of the power semiconductor component and thus also of the housing, if provided, on the heat sink.
  • the structure is simplified and cheaper to produce, and space is created to provide further electrical contacts of the power semiconductor device, for example, a contact heat sink side, ie on the side facing the heat sink side of the power semiconductor device allows.
  • a contact heat sink side ie on the side facing the heat sink side of the power semiconductor device allows.
  • the pretensioning means to be provided according to the invention preferably comprises a tensioning clip which overlaps the at least one power semiconductor component.
  • the clamping bracket for example made of spring steel, ensures a more homogeneous over the contact surface between power semiconductor device and heat sink contact pressure. This improves the heat transfer. Furthermore, the usually metallic clamping bracket can be used for heat dissipation.
  • the module can advantageously account for a particular rigid pressure-receiving plate as an abutment.
  • an intermediate plate is optionally provided whose extent corresponds at least to the relevant cross sections of the power semiconductor component (s).
  • the housing preferably comprises a ductile, thermally conductive intermediate plate for the arrangement between the power semiconductor component and the heat sink.
  • the intermediate plate made of copper.
  • the ductile intermediate plate improves the heat transfer between the heat sink and the power semiconductor component, since it is able to compensate for unevenness in the contact area due to its higher plasticity compared to the heat sink material or power semiconductor component.
  • the fastening means preferably comprise at least one screw connection which penetrates the biasing means.
  • the bias voltage is adjustable.
  • the invention further relates to an arrangement of a module in one of the previously described advantageous embodiments and a heat sink, for example a fin heat sink.
  • a heat sink for example a fin heat sink.
  • This consists for example of aluminum.
  • the power semiconductor component is arranged directly adjacent to the heat sink.
  • the invention further relates to the use of the module for switching, regulating and / or rectifying electrical current, in particular currents up to 800 A and voltages up to 3600 V.
  • the invention further relates to a mounting method for a power semiconductor module with a heat sink, comprising the steps of: optionally providing a housing for at least one power semiconductor component; Providing a heat sink; Providing at least one power semiconductor device; Applying the at least one power semiconductor component to the heat sink; Providing contacting means for electrically contacting the at least one power semiconductor device; Attaching and / or providing fastening means to the heat sink; Fixing the biasing means to the heat sink by means of the fixing means, the biasing means biasing the contacts against the power semiconductor device for electrical contacting and the power semiconductor device against the heat-sinking heat sink.
  • the method according to the invention is characterized in that with the assembly of the biasing means at least both the thermal and electrical contacting is performed.
  • an abutment for the biasing means for example on the housing omitted, components can be saved, it is thus achieved a cost-effective overall design, the heat transfer to the heat sink can be simplified by shortening the distance and / or fewer Bermmoriale and is reliable.
  • the structure is simplified, and space is created to provide further contacting of the power semiconductor device.
  • contacting is possible on the heat sink side, ie on the side of the power semiconductor component facing the heat sink.
  • the inventively provided pressure contact has the advantage that can be dispensed with LotAuthtechnik, which has the disadvantage that it is less thermally stable.
  • the Pressure contact also ensures that in the event of a fault during so-called alloying of the power semiconductor component, a short circuit to be detected is formed.
  • Fig. 1 is a perspective sectional view of the module 1 according to the invention in a preferred embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view of an arrangement of the module according to the invention from FIG. 1 and a partial heat sink 12.
  • the module 1 has a housing 2 made of an electrically non-conductive plastic.
  • the housing 2 has two openings 10, which can easily be seen in FIG. 2, into which one, that is to say a total of two power semiconductor components 4, whose heat loss arising during operation is dissipated via a heat sink 12, are used.
  • Adjacent to the contacting regions of the power semiconductor components 4 are flat contacts 3d of the contacting means 3a, 3b, 3c. These serve for the electrical pressure contacting of the contacting areas provided on the respective power semiconductor component 4.
  • an electrically non-conductive insulation 5a, 5b is provided.
  • a ductile intermediate plate 8 is provided made of copper, the extent of which corresponds at least corresponding cross-section of the power semiconductor components 4. This intermediate plate 8 is used to compensate for surface roughness and unevenness in the contact area to the heat sink 12 and may optionally be omitted.
  • the electrical and thermal pressure contacting is achieved by means of a clamping yoke 9 made of spring steel as biasing means, which holds the contacting means 3a, 3b, 3c.
  • the clamping bracket 9 has at its opposite ends in each case a breakthrough 11, are used by the screws 7a, 7b as fastening means which cooperate with threaded holes not shown in the heat sink 12 to support the clamping bracket 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (1) für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement (4) zur Befestigung an einem Kühlkörper (12), aufweisend : - wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement (4); - Kontaktierungsmittel (3a, 3b, 3c, 3d), um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement (4) elektrisch zu kontaktieren; - Vorspannmittel (9), die ausgelegt sind, die Kontaktierungsmittel (3a, 3b, 3c, 3d) gegen das Leistungshalbleiterbauelement (4) zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement (4) gegen den Kühlkörper (12) zur thermischen Kontaktierung vorzuspannen; - Befestigungsmittel (7a, 7b) zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper (12).

Description

LEISTUNGSHALBLEITERMODUL
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ein Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper sowie eine Anordnung aus beidem. Das Gehäuse umfasst Mittel zur sogenannten Druckkontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements. Im Hinblick auf die gerade in der Leistungshalbleiterelektronik auftretenden Probleme bei thermischen Wechsellasten wurden zur Kontak- tierung hochspannungsfester und hochstromfester Bauelemente derartige Druckkontakte entwickelt. Beispiele für solche hochspannungsfesten Halbleiterbauelemente sind Hochvolt-Thyristoren, die die zentralen Bauelemente in Hochspannungsumrichtern zur Verteilung elektrischer Energie sind. Insbesondere für solche Anlagen gelten hohe Anforderungen an die Bauelemente-Zuverlässigkeit.
Die Leistungshalbleiterbauelemente oder dergleichen werden auf einem die elektronischen Bauelemente aufnehmenden Träger durch federvorgespannte Druckkontakte oder dergleichen kontaktiert. Dabei erfolgt auch die Herstellung und Aufrechterhaltung eines mechanischen und somit elektrischen Kontakts zwischen einem Kontaktbereich eines elektronischen Bauelements und einem den Strom führenden Kontakt im Wesentlichen durch die mechanisch aufgebrachten Kräfte. Dies hat den Vorteil, dass durch eine entsprechende Einstellung der mechanischen Kräfte - zum Beispiel über Spannvorrichtungen oder über Federeinrichtungen - den thermischen Wechsellasten wegen der mit dieser mechanischen Fixierung verbundenen mechanischen Toleranzen ausreichend Rechnung getragen werden kann.
Das Halbleiterbauelement steht zur Vermeidung möglicher Schäden durch Überhitzen ferner in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlkörper. Mittels des Kühlkörpers wird die Größe der wärmeabgebenden Fläche erhöht und damit der Wärmeübergang von dem Halbleiterbauelement auf das umgebende Medium, wie Luft, verbessert. Bei den bekannten Gehäusen ist eine metallische druckaufnehmende Platte vorhanden, die einerseits in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterbauelement und andererseits mit dem Kühlkörper steht. Bei den vorhandenen Gehäusen dient die druckaufnehmende Platte, auch Druckplatte genannt, nicht nur dem Wärmeübergang zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper sondern in erster Linie als Widerlager für die Druckkontaktierungsmit- tel. Sie besteht beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und wird zur Sicherstellung einer elektrischen Kontaktierung des Bauelements mit einem Anpressdruck von beispielsweise 10 bis 20 MPa beaufschlagt. Da die Wärme über und durch diese Platte abgeführt werden muss, beeinträchtigt deren Wärmeleitwiderstand prinzipiell die Wärmeabfuhr. Aber in der Praxis stellt sich zudem das Problem eines unzureichenden thermischen Kontakts zwischen dieser Platte und dem Kühlkörper. Zur Vermeidung von Verbiegungen aufgrund der Spannkräfte und den somit anliegenden Biegemomenten ist die druckaufnehmende Platte beim Stand der Technik nämlich vergleichsweise starr ausgelegt, mit dem Nachteil, dass diese Platte nicht mal geringe Abweichungen von der vorgegebenen Form des Berührbereichs, wie Rauigkeiten oder durch die vorgenannten Verbiegungen entstehende Abweichungen, zwischen dem Kühlkörper und dieser Platte auszugleichen vermag. Somit besteht die Gefahr, dass der Wärmeübergang von dem Leistungshalbleiterbauelement auf den Kühlkörper beeinträchtigt ist. Aufgrund des thermischen Widerstands besteht die Gefahr der Zerstörung und Ausfalls des Leistungshalbleiterbauelements.
Vor diesem Hintergrund dieser Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Modul für einen Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper sowie eine betreffende Anordnung aus beidem bereitzustellen, mittels derer der Wärmeübergang zwischen Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper verbessert oder sichergestellt wird und insbesondere beide preiswerter herzustellen sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Modul mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung und ein Montageverfahren sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Der vorliegenden Erfindung betrifft ein Modul für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper, um so die Abwärme des Leistungshalbleiterbauelements über eine Koppelfläche in den Kühlkörper einzukoppeln. Hinsichtlich des Leistungshalbleiterbauelements und deren Anzahl ist die Erfindung nicht beschränkt. Bevorzugt ist es ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Diode, beispielsweise eine Schottky- Diode, ein J-FET, ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, ein Gate-Communicated- Thyristor, ein TRIAC, ein DIAC oder ein Fotothyristor ist. Bei mehreren Leistungshalbleiterbauelementen ist jede Kombination daraus erfindungsgemäß um- fasst. Beispielsweise weist das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement eine scheibenförmige Gestalt auf, wobei eine der flachen Hauptseiten dem Kühlkörper zugewandt sein soll. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind beispielsweise als Halbbrücke, Vollbrücke oder Drehstrombrücke verschaltet.
Optional und bevorzugt ist ferner ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem nicht leitenden, hochspannungsfesten Kunststoff (z. B. Duroplast) vorgesehen, das eine Aufnahme, beispielsweise einen Durchbruch, für das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement, aufweist. Der Durchbruch ist beispielsweise so ausgestaltet, dass er das Leistungshalbleiterbauelement im Querschnitt formschlüssig aufnimmt und sich senkrecht zur dem Kühlkörper zugewandten Berühr- bzw. Koppelfläche erstreckt. Das Gehäuse bzw. die Aufnahme dient beispielsweise zur Aufnahme eines nicht leitenden Füllstoffs, beispielsweise eines ursprünglich fließfähigen, aber aushärtbaren Füllstoffs, um das wenigstens eine Bauelement in dem Gehäuse„einzugießen".
Erfindungsgemäß zwingend sind ferner Kontaktierungsmittel vorgesehen, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement, das sich beispielsweise in der Aufnahme des optional vorhandenen Gehäuses befindet, elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise weisen die Kontaktierungsmittel wenigstens einen flächigen Kontaktbereich zur Berührkontaktierung des Bauelements auf und sind an ihrem anderen Ende entsprechend der gewünschten Verbindungstechnik, beispielsweise als männlicher Steckkontakt und/oder Schraubverbindung, ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind ferner Vorspannmittel vorgesehen, die die Kontaktierungsmittel gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktie- rung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorspannen. Beispielsweise sind die Kontaktierungsmittel wenigstens teilweise zwischen dem Vorspannmittel und dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet.
Erfindungsgemäß sind ferner Befestigungsmittel zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper vorgesehen. Diese können ganz oder teilweise separat ausgebildet sein und am Kühlkörper befestigt werden. Beispielsweise handelt es sich u.a. um eine Schraube, die in ein Schraubgewinde des Kühlkörpers einschraubbar ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Befestigungsmittel am Kühlkörper ausgebildet; beispielsweise ist eine das Vorspannmittel aufnehmende Nut am Kühlkörper vorgesehen.
Erfindungsgemäß übernehmen die Vorspannmittel wenigstens sowohl die Funktion der elektrischen Druckkontaktierung als auch die der thermischen Kontaktie- rung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper, indem diese beispielsweise so angeordnet sind, dass nach der Montage das Leistungshalbleiterbauelement und die Kontaktierungsmittel zwischen dem Kühlkörper und dem Vorspannmittel eingespannt sind. Die Vorspannmittel dienen ferner der Lagefixierung des Leistungshalbleiterbauelements und damit auch des Gehäuses, sofern dieses vorgesehen ist, an dem Kühlkörper. Dadurch, dass ein Widerlager für die Druckkontaktierung, beispielsweise die druckaufnehmende Platte, entfällt, können Komponenten eingespart werden, es wird eine kostengünstige Gesamtkonstruktion erreicht. Ferner kann die Strecke für den Wärmeübergang vom Leistungshalbleiterbauelement auf den Kühlkörper, beispielsweise durch Wegfall der druckaufnehmenden Platte, verkürzt werden. Der Aufbau wird vereinfacht und in der Herstellung preisgünstiger, und es wird Raum geschaffen, weitere elektrische Kontaktierungen des Leistungshalbleiterbauelements vorzusehen, beispielsweise ist eine Kontaktierung kühlkörperseitig, d.h. auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungshalbleiterbauelements, ermöglicht. Durch Wegfall des Widerlagers für die Vorspannmittel entfällt vorteilhaft die sich dadurch ergebende Begrenzung hinsichtlich der Größe und Form des Leistungshalbleiterbauelements. Ferner sind die Anforderungen an die mechanische Stabilität des Gehäuses geringer. Es bleiben die prinzipiellen Vorteile der erfindungsgemäß vorgesehenen Druckkontaktierung erhalten, nämlich dass auf eine Lotkontaktie- rung verzichtet werden kann, die den Nachteil hat, dass sie weniger thermisch stabil ist. Die Druckkontaktierung stellt ferner sicher, dass im Fehlerfall beim so- genannten Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements sich ein zu detek- tierender Kurzschluss ausbildet.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäß vorzusehende Vorspannmittel einen das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement übergreifenden Spannbügel. Der Spannbügel, beispielsweise aus Federstahl, sorgt für einen über die Berührfläche zwischen Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper homogeneren Anpressdruck. Dadurch wird der Wärmeübergang verbessert. Ferner kann der in der Regel metallische Spannbügel zur Wärmeabfuhr herangezogen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Moduls kann vorteilhaft eine insbesondere starre druckaufnehmende Platte als Widerlager entfallen. Allenfalls ist erfindungsgemäß aber optional eine Zwischenplatte vorgesehen, deren Ausdehnung wenigstens den betreffenden Querschnitten des oder der Leistungshalbleiterbauelemente entspricht.
Bevorzugt umfasst das Gehäuse eine duktile, thermisch leitfähige Zwischenplatte zur Anordnung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper. Beispielsweise ist die Zwischenplatte aus Kupfer. Die duktile Zwischenplatte verbessert den Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Leistungshalbleiterbauelement, da sie aufgrund ihrer höheren Plastizität im Vergleich zum Kühlkörpermaterial bzw. Leistungshalbleiterbauelement Unebenheiten im Berührbereich auszugeichen vermag.
Bevorzugt umfassen die Befestigungsmittel wenigstens eine das Vorspannmittel durchgreifende Schraubverbindung. Bevorzugt ist mittels der Befestigungsmittel die Vorspannung einstellbar ist. Somit kann der Druck zur thermischen und elektrischen Kontaktierung bei der Montage des Gehäuses an den Kühlkörper durch die Befestigungsmittel, beispielsweise die Schraubverbindung, ein- und/oder nachgestellt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einem Modul in einer der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und einem Kühlkörper, beispielsweise einem Rippenkühlkörper. Dieser besteht beispielsweise aus Aluminium .
Bevorzugt ist aufgrund der sich dadurch ergebenden besseren Wärmeübertragung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper eine wärmeleitende, elektrische Isolierung vorgesehen. Alternativ ist das Leistungshalbleiterbauelement an den Kühlkörper unmittelbar angrenzend angeordnet.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Moduls zum Schalten, Regeln und/oder Gleichrichten von elektrischem Strom, insbesondere von Strömen bis 800 A und Spannungen bis 3600 V.
Die Erfindung betrifft ferner ein Montageverfahren für ein Leistungshalbleitermodul mit Kühlkörper mit den Schritten : Optionales Bereitstellen eines Gehäuse für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement; Bereitstellen eines Kühlkörpers; Bereitstellen wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelements; Aufbringen des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelements auf den Kühlkörper; Bereitstellen von Kontaktierungsmitteln, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement elektrisch zu kontaktieren; Anbringen und/oder Bereitstellen von Befestigungsmitteln an dem Kühlkörper; Befestigen der Vorspannmittel an dem Kühlkörper mittels der Befestigungsmittel, wobei die Vorspannmittel die Kontakte gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorspannen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Montage des Vorspannmittels wenigstens sowohl die thermische als auch elektrische Kontaktierung vollzogen wird. Dadurch, dass ein Widerlager für die Vorspannmittel, beispielsweise am Gehäuse, entfällt, können Komponenten eingespart werden, es wird somit eine kostengünstige Gesamtkonstruktion erreicht, der Wärmeübergang auf den Kühlkörper kann durch Verkürzung der Strecke und/oder weniger Berührkontakte vereinfacht werden und ist zuverlässiger. Der Aufbau wird vereinfacht, und es wird Raum geschaffen, weitere Kontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements vorzusehen. Beispielsweise ist eine Kontaktierung kühlkörperseitig, d.h. auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungshalbleiterbauelements, ermöglicht. Durch Wegfall des Widerlagers für die Vorspannmittel entfällt die sich durch das Widerlager ergebende Begrenzung der Größe und Form des Leistungshalbleiterbauelements. Die erfindungsgemäß vorgesehene Druckkontaktierung hat den Vorteil, dass auf Lotkontaktierung verzichtet werden kann, die den Nachteil hat, dass sie weniger thermisch stabil ist. Die Druckkontaktierung stellt ferner sicher, dass im Fehlerfall beim sogenannten Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements sich ein zu detektierender Kurzschluss ausbildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch :
Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Moduls 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung;
Fig. 2 eine perspektivische Aufsicht auf eine Anordnung aus dem erfindungsgemäßen Modul aus Figur 1 und einem teildargestellten Kühlkörper 12.
Das erfindungsgemäße Modul 1 weist ein Gehäuse 2 aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff auf. Das Gehäuse 2 weist zwei, in Figur 2 gut zu erkennende Durchbrüche 10 auf, in die jeweils ein, also insgesamt zwei Leistungshalbleiterbauelemente 4, deren im Betrieb entstehende Verlustwärme über einen Kühlkörper 12 abgeführt werden soll, eingesetzt sind. An die Kontaktierungsbereiche der Leistungshalbleiterbauelemente 4 angrenzend sind flache Kontakte 3d der Kon- taktierungsmittel 3a, 3b, 3c angeordnet. Diese dienen der elektrischen Druckkontaktierung der am jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 4 vorgesehenen Kontaktierungsbereiche. Darüber ist jeweils eine elektrisch nicht leitende Isolierung 5a, 5b vorgesehen. Unterhalb, d.h. angrenzend an die dem Kühlkörper 12 zugewandte Oberfläche der Leistungshalbleiterbauelemente 4 ist jeweils eine elektrisch nicht leitende, aber thermisch leitende Isolierung 6a, 6b vorgesehen. Zwischen dieser Isolierung 6a, 6b und dem Kühlkörper 12, also als Abschluss des erfindungsgemäßen Moduls 1 zum Kühlkörper 12 hin, ist eine duktile Zwischenplatte 8 aus Kupfer vorgesehen, deren Ausdehnung wenigstens dementspre- chenden Querschnitt der Leistungshalbleiterbauelemente 4 entspricht. Diese Zwischenplatte 8 dient dem Ausgleich von Oberflächenrauigkeiten und Unebenheiten im Kontaktbereich zum Kühlkörper 12 und kann optional entfallen. Die elektrische und thermische Druckkontaktierung wird über einen Spannbügel 9 aus Federstahl als Vorspannmittel erreicht, der die Kontaktierungsmittel 3a, 3b, 3c ge- gen die Leistungshalbleiterbauelemente 4 und letztere gegen den Kühlkörper 12 vorspannt. Der Spannbügel 9 weist an seinen entgegengesetzten Enden jeweils einen Durchbrich 11 auf, durch die Schrauben 7a, 7b als Befestigungsmitteln eingesetzt sind, die mit nicht näher dargestellten Gewindebohrungen im Kühlkörper 12 zusammenwirken, um den Spannbügel 9 abzustützen.

Claims

Patentansprüche
1. Modul (1) für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement (4) zur Befestigung an einem Kühlkörper (12), aufweisend :
wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement (4);
- Kontaktierungsmittel (3a, 3b, 3c, 3d), um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement (4) elektrisch zu kontaktieren;
- Vorspannmittel (9), die ausgelegt sind, die Kontaktierungsmittel (3a, 3b, 3c, 3d) gegen das Leistungshalbleiterbauelement (4) zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement (4) gegen den Kühlkörper (12) zur thermischen Kontaktierung vorzuspannen;
- Befestigungsmittel (7a, 7b) zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper (12).
2. Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Befestigungsmittel an dem Kühlkörper (12) ausgebildet sind.
3. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Gehäuse (2) mit einer Aufnahme (10) für das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement (4).
4. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorspannmittel (9) einen das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement (4) übergreifenden Spannbügel umfasst.
5. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine duktile, thermisch leitfähige Zwischenplatte (8) zur Anordnung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement (4) und dem Kühlkörper (12).
6. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungsmittel (7a, 7b) wenigstens eine das Vorspannmittel (9) durchgreifende Schraubverbindung umfassen.
7. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Befestigungsmittel (7a, 7b) die Vorspannung einstellbar ist.
8. Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement (4) ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Diode, beispielsweise eine Schottky-Diode, ein J-FET, ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, ein Gate- Communicated-Thyristor, ein TRIAC, ein DIAC oder ein Fotothyristor ist oder die mehreren Leistungshalbleiterbauelemente Kombinationen daraus sind.
9. Anordnung aus einem Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Kühlkörper (12).
10. Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement (4) und dem Kühlkörper (12) eine wärmeleitende, elektrische Isolierung (6a, 6b) vorgesehen ist oder das Leistungshalbleiterbauelement (4) an den Kühlkörper (12) unmittelbar angrenzend angeordnet ist.
11. Verwendung des Moduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Schalten, Regeln und/oder Gleichrichten von elektrischem Strom, insbesondere von Strömen bis 800 A und Spannungen bis 3600 V.
12. Montageverfahren für ein Leistungshalbleitermodul an einem Kühlkörper mit den Schritten : Optionales Bereitstellen eines Gehäuse für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement; Bereitstellen eines Kühlkörpers; Bereitstellen wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelements; Aufbringen des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelements auf den Kühlkörper; Bereitstellen von Kontaktierungsmitteln, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement elektrisch zu kontaktieren; Anbringen und/oder Bereitstellen von Befestigungsmitteln an dem Kühlkörper; Befestigen der Vorspannmittel an dem Kühlkörper mittels der Befestigungsmittel, wobei die Vorspannmittel die Kontakte gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktie- rung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorspannen.
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