DE10134187B4 - Cooling device for semiconductor modules - Google Patents

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Abstract

Kühleinrichtung (4) für Leistungshalbleitermodule (1) bestehend aus einem Gehäuse, Anschlusselementen, einem keramischen Substrat (10) mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen (11) sowie einer auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneten vollflächigen Metallkaschierung (12) und auf der metallkaschierten Fläche (11) befindlichen, löttechnisch (13) aufgebachten, zum Teil mittels Bondverbindungen (15) mit metallkaschierten Flächen (11) verbundenen, Bauelementen (14), wobei die Kühleinrichtung aus zweidimensional, matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordneten Einzelkühlelementen (3) besteht wobei jedes Einzelkühlelement thermisch mit der vollflächigen Metallkaschierung (12) der zweiten Hauptfläche des zu kühlenden Leistungshalbleitermoduls (1) verbunden ist.cooling device (4) for Power semiconductor modules (1) consisting of a housing, connecting elements, a ceramic substrate (10) arranged on the first major surface metal-clad and structured surfaces (11) and one on his second main surface arranged full-surface Metal lamination (12) and on the metal-clad surface (11) located, soldering (13) set up, partly by means of bonds (15) with metal-laminated surfaces (11) connected, components (14), wherein the cooling device of two-dimensional, matrix-like in at least two rows and at least two columns arranged individual cooling elements (3) wherein each individual cooling element is thermal with the full-surface Metallkaschierung (12) of the second major surface of the cooled Power semiconductor module (1) is connected.

Figure 00000001
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Description

Die Erfindung beschreibt eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Halbleitermodulen der Leistungsklasse. Auf Grund der geringen Flächenausdehnung bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit moderner Leistungshalbleiterbauelemente ist eine effiziente und über die gesamte Lebensdauer gleichbleibend effiziente Kühlung dieser Halbleiterbauelemente bzw. von daraus aufgebauten Leistungshalbleitermodulen unerlässlich. Eine Verringerung der Kühlleistung geht in den meisten Fällen mit einem Ausfall oder doch zumindest mit einer deutlich verminderten Leistungsfähigkeit der Bauelemente bzw. der Module einher. Aus diesem Grund muss der Kühleinrichtung sowie deren thermischen Anschluss an die zu kühlenden Bauelemente bzw. Module besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.The Invention describes a cooling device for cooling of semiconductor modules of the performance class. Due to the low surface area with simultaneously high current carrying capacity of modern power semiconductor components is an efficient and over the whole lifetime consistent efficient cooling of this Semiconductor devices or constructed of power semiconductor modules essential. A reduction in cooling capacity works in most cases with a failure or at least with a significantly reduced capacity associated with the components or the modules. For this reason, the must cooling device as well as their thermal connection to the components or modules to be cooled be given special attention.

Zu kühlende Leistungshalbleitermodule sind nach dem Stand der Technik aufgebaut auf keramischen Substraten wie sie beispielsweise nach der US 3,744,120 hergestellt werden. Als Keramiken kommen häufig Aluminiumoxid oder auch Aluminiumnitrid zum Einsatz.To be cooled power semiconductor modules are constructed according to the prior art on ceramic substrates such as those according to US 3,744,120 getting produced. Alumina or aluminum nitride are often used as ceramics.

((Stand der Technik und seine Nachteile))((Prior art and its disadvantages))

Beispiele für moderne Leistungshalbleitermodule mit entsprechend hohen Anforderungen an die dafür benötigten Kühleinrichtungen finden sich beispielhaft in der DE 196 30 173 A1 sowie in der DE 101 27 947 C1 . In derartigen Modulen werden moderne Leistungshalbleiterbauelemente wie MOSFETs oder IGBTs eingesetzt, die eine Wärmeabgabe in der Größenordnung von 500 W/cm2 erzeugen. Weiterhin bestehen derartige Leistungshalbleitermodule aus einem Gehäuse, Anschlusselementen, einem keramischen Substrat mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen sowie einer auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneten vollflächigen Metallkaschierung. Auf der metallkaschierten, strukturierten Fläche befinden sich die meist löttechnisch aufgebachten und zum Teil mittels Bondverbindungen mit weiteren metallkaschierten Flächen verbundenen, genannten Bauelemente.Examples of modern power semiconductor modules with correspondingly high demands on the required cooling devices can be found in the example in DE 196 30 173 A1 as well as in the DE 101 27 947 C1 , In such modules modern power semiconductor devices such as MOSFETs or IGBTs are used which produce a heat output of the order of 500 W / cm 2 . Furthermore, such power semiconductor modules consist of a housing, connection elements, a ceramic substrate with metal-clad and structured surfaces arranged on its first main surface and a full-area metal lamination arranged on its second main surface. On the metal-clad, structured surface are the most soldering technically set up and partly connected by means of bonding with other metallkaschierten surfaces, said components.

Eine Kühleinrichtung nach dem aktuellen Stand der Technik, wie er beispielsweise in der DE 198 52 933 A1 gezeigt ist, besteht aus einem Grundkörper mit daran angeordneten flächig ausgedehnten Kühlrippen. Die bekanntesten einstückigen Ausgestaltungen derartiger Kühleinrichtungen sind Strangpressprofile, wie sie kostengünstig aus Aluminium hergestellt werden können. Bei derartigen Strangpressprofilen können die Kühlrippen mit planer Oberfläche oder mit längs der Kühlrippen parallel zum Grundkörper verlaufenden Strukturen versehen sein. Effizientere Ausgestaltungen des gleichen Grundgedankens sind aus der DE 198 52 933 A1 bekannt, hierbei werden die Kühlrippen gesondert auf dem Grundkörper befestigt. Dies erlaubt flexiblere Ausgestaltungen der Kühlrippen und damit eine höhere Kühlleistung der Kühleinrichtungen.A cooling device according to the current state of the art, as used for example in the DE 198 52 933 A1 is shown, consists of a base body with arranged thereon extended cooling fins. The best-known one-piece designs of such cooling devices are extruded profiles, as they can be inexpensively made of aluminum. In such extruded profiles, the cooling ribs can be provided with a flat surface or along the cooling ribs parallel to the main body extending structures. More efficient embodiments of the same basic idea are from the DE 198 52 933 A1 known, in this case, the cooling fins are attached separately on the body. This allows more flexible configurations of the cooling fins and thus a higher cooling capacity of the cooling devices.

Beispielsweise in der DE 198 06 978 A1 wird eine weitere Abwandlung des Grundgedankens bekannter Kühleinrichtungen mit einem Grundkörper und darauf angeordneten Kühlelementen vorgestellt. Hierbei sind die Kühlelemente nicht als flächige Kühlrippen, sondern als Wellrippen angeordnet.For example, in the DE 198 06 978 A1 A further modification of the basic idea of known cooling devices with a basic body and cooling elements arranged thereon is presented. Here, the cooling elements are not arranged as a surface cooling fins, but as corrugated fins.

Allen dem bisher genannten Stand der Technik zuordenbaren Kühleinrichtungen ist gemeinsam, dass der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul über den flächig ausgedehnten Grundkörper der Kühleinrichtung hergestellt wird. Zur Verbindung werden sowohl stoffbündige als auch stoffschlüssige Verfahren angewandt.all The previously mentioned prior art allocatable cooling devices is common that the thermal contact between the cooling device and to be cooled Component or module over the area extended body of the cooling device will be produced. The connection will be both flush and also cohesive methods applied.

Zu den stoffschlüssigen Verfahren zählt als das bekannteste das Löten des Grundkörpers auf das zu kühlenden Bauelement bzw. Modul. Die stoffschlüssige Aufbautechnologie weist im wesentlichen zwei Nachteile auf:

  • 1. Großflächige Lötverbindungen wie sie speziell bei Halbleitermodulen notwendig sind, sind technologisch schwer beherrschbar. Eine homogene, lunkerfreie Lötung großer Flächen ist nur mittels aufwendiger Verfahren wie sie beispielhaft in der DE 199 11 887 C1 vorgestellt werden, realisierbar. Wobei auch diese Verfahren bei zunehmender Größe der zu verbindenden Flächen die oben genannten Probleme aufwerfen.
  • 2. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischen Substraten liegt bei Werten von kleiner 8 × 10–6/K. Dem gegenüber steht der thermische Ausdehnungskoeffizient von typischen metallischen Kühleinrichtungen bei 17 bis 26 × 10–6/K. Dies führt skalierend mit der Ausdehnung der stoffschlüssigen Verbindung zu zunehmenden Problemen während des Betriebs, da bei Leistungshalbleitermodulen je nach Anwendung Temperaturänderungen von bis zu 150K auftreten. Diese Temperaturänderungen in Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen über die Lebensdauer eines Bauelements bzw. Moduls zu einer lokalen oder vollständigen Zerstörung der stoffschlüssigen Verbindung. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der übertragbaren Wärmelast. Die hieraus folgende Erhöhung der Temperatur der Halbleiterbauelemente führt zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit oder zum vorzeitigen Ausfall.
Among the cohesive methods counts as the best known soldering of the body to the component or module to be cooled. The cohesive construction technology has essentially two disadvantages:
  • 1. Large-area solder joints as they are necessary especially for semiconductor modules are technologically difficult to control. Homogeneous, void-free soldering of large surfaces is only possible by means of complex processes as exemplified in US Pat DE 199 11 887 C1 be presented, realizable. These methods also raise the above-mentioned problems with increasing size of the surfaces to be joined.
  • 2. The thermal expansion coefficient of ceramic substrates is less than 8 × 10 -6 / K. On the other hand, the thermal expansion coefficient of typical metallic cooling devices is 17 to 26 × 10 -6 / K. This leads to increasing problems during operation as the expansion of the bonded connection increases, since with power semiconductor modules temperature changes of up to 150 K occur depending on the application. These temperature changes in conjunction with the different thermal expansion coefficients lead over the life of a component or module to a local or complete destruction of the cohesive connection. This in turn leads to a reduction of the transferable heat load. The consequent increase in the temperature of the semiconductor devices results in reduced performance or premature failure.

Zu den stoffbündigen Verfahren zählt beispielhaft die Druckkontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls mit der Kühleinrichtung, wie sie in der EP 0 597 254 B1 beschrieben ist. Hierbei wird das Halbleitermodul mittels einer Druckeinrichtung auf den Grundkörper der Kühleinrichtung gedrückt. Um einen über die Kontaktfläche homogenen Wärmeübergang zu gewährleisten, wird zwischen die Keramik des Moduls und den Grundkörper des Kühlelements ein wärmeleitendes pastöses oder elastisches Medium eingebracht. Nachteilig an dieser Aufbautechnologie ist der Wärmewiderstand dieses wärmeleitenden Mediums. Derartige Schichten tragen zu mehr als 50% zum Wärmewiderstand der Gesamtanordnung aus Halbleitermodul und Kühleinrichtung bei.One of the flush processes is playfully the pressure contact of a power semiconductor module with the cooling device, as shown in the EP 0 597 254 B1 is described. In this case, the semiconductor module is pressed by means of a pressure device onto the base body of the cooling device. In order to ensure a homogeneous over the contact surface heat transfer, a thermally conductive pasty or elastic medium is introduced between the ceramic of the module and the main body of the cooling element. A disadvantage of this construction technology is the thermal resistance of this heat-conducting medium. Such layers contribute to more than 50% of the thermal resistance of the overall arrangement of the semiconductor module and the cooling device.

Für Leistungshalbleitermodule ist eine weitere Ausgestaltung von Kühleinrichtungen beispielsweise aus der DE 198 53 750 A1 bekannt. Hierbei ist die Kühleinrichtung in ein Substrat, das als Basis eines Halbleitermoduls dient, integriert. Es entfällt somit die zusätzliche thermische Ankopplung durch den integrierten Aufbau des Moduls und der Kühleinrichtung. Nachteilig an dieser Ausgestaltung sind einerseits die hohen Kosten für deren Herstellung sowie andererseits die räumliche Gestalt der in das Substrat integrierten Kühleinrichtung. Diese erfordert einen wesentlich aufwendigeren Fertigungsprozess, da derartige Substrate mit integrierter Kühleinrichtung nicht auf Standardmaschinen verarbeitet werden können. Derartige Standardmaschinen sind auf die Fertigung von Halbleitermodulen ausgelegt, bei denen ein nachträgliches Anbringen der Kühleinrichtung vorgesehen ist.For power semiconductor modules is a further embodiment of cooling devices, for example from the DE 198 53 750 A1 known. In this case, the cooling device is integrated in a substrate which serves as the basis of a semiconductor module. It thus eliminates the additional thermal coupling through the integrated structure of the module and the cooling device. Disadvantages of this embodiment are, on the one hand, the high costs for their production and, on the other hand, the spatial shape of the cooling device integrated in the substrate. This requires a much more complex manufacturing process, since such substrates with integrated cooling device can not be processed on standard machines. Such standard machines are designed for the production of semiconductor modules, in which a subsequent attachment of the cooling device is provided.

Bekannt sind weiterhin, beispielhaft aus der US 4,541,004 , der EP 0 219 657 A2 sowie der DE 44 18 611 A1 fingerartige Kühleinrichtungen für einzelne Halbleiterbauelemente. Diese Kühleinrichtungen bilden zusammen mit den bekannten Leistungshalbleitermodulen den Ausgangspunkt der Erfindung.Are also known, for example from the US 4,541,004 , of the EP 0 219 657 A2 as well as the DE 44 18 611 A1 Finger-like cooling devices for individual semiconductor devices. These cooling devices together with the known power semiconductor modules form the starting point of the invention.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kühleinrichtung zur Verwendung verschiedener Kühlmedien vorzustellen, die eine effiziente Kühlung von Leistungshhalbleiterbauelementen sowie anderen Bauelementen als Bestandteilen von Leistungshalbleitermodulen gewährleistet, wobei stoffschlüssige wie auch stoffbündige Verbindungstechniken eingesetzt werden können, wobei auf großflächige stoffschlüssige Verbindungen verzichtet werden kannThe The present invention has the object of a cooling device for use different cooling media to present the efficient cooling of power semiconductor devices and other components as components of power semiconductor modules guaranteed being cohesive as well as flush joining techniques can be used being on large-area cohesive connections can be waived

((Lösung der Aufgabe))((Solution of the task))

Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.The Task is solved through the measures of claim 1. Further advantageous embodiments are in the dependent claims called.

Der Grundgedanke der Erfindung ist, bei einer Kühleinrichtung auf einen gemeinsamen großflächigen Grundkörper, auf dem mehrere Kühlelemente angeordnet sind und der räumlich zwischen dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul und den einzelnen Kühlelementen angeordnet ist, zu verzichten.Of the The basic idea of the invention is, in the case of a cooling device, to a common one large body, on the plurality of cooling elements arranged are and the spatially between the one to be cooled Component or module and the individual cooling elements is arranged, to renounce.

Die Wärmeableitung von einem Leistungshalbleitermodul erfolgt über einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem Grundkörper und einer fingerartigen Fortsetzung bestehen, wobei der Grundkörper keine größere laterale Ausdehnung als die fingerartige Fortsetzung aufweisen muss. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Falls es durch die Verwendung eines beispielsweise flüssigen Kühlmediums oder die Aufbautechnologie gefordert ist, können alle oder nur Gruppen von einzelnen Kühlelementen mit jeweils einem weiteren Teilkörper, der sich auf der dem zu kühlenden Bauelement oder Modul abgewandten Seiten der Kühlelemente befindet, verbunden sein. Die nicht dem zu kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelementen können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen aufweisen.The heat dissipation from a power semiconductor module via individual cooling elements, the in turn, from a basic body and a finger-like continuation, wherein the main body no larger lateral Expansion must have as the finger-like continuation. These individual cooling elements are matrix-like in rows and columns at the to be cooled surface arranged. If it is due to the use of an example liquid cooling medium or the assembly technology is required, all or only groups of individual cooling elements each with a further part body, which is on the one to be cooled Component or module opposite sides of the cooling elements is connected be. The not to be cooled Component or module facing surfaces of the individual cooling elements can be smooth or for better heat dissipation arbitrarily structured surfaces exhibit.

Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösung werden an Hand der 1 bis 5 erläutert.Specific embodiments of the inventive solution are based on the 1 to 5 explained.

1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener Kühleinrichtung nach dem Stand der Technik. 1 shows a power semiconductor module with cohesively connected cooling device according to the prior art.

2 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt runden Kühlelementen. 2 shows a power semiconductor module with cohesively connected inventive cooling device formed in round cross-section cooling elements.

3 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt eckigen Kühlelementen. 3 shows a power semiconductor module with cohesively connected inventive cooling device formed in its cross-section angular cooling elements.

4 zeigt verschiedene Ausgestaltungsformen der Kühlelemente. 4 shows various embodiments of the cooling elements.

5 zeigt ein Leistungshalbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung. 5 shows a power semiconductor module with cohesively connected inventive cooling device.

1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 1 bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem keramischen Substrat 10 mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen 11 sowie auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneter vollflächigen Metallkaschierung 12. Derartig metallkaschierte Substrate 1 sind beispielsweise als DCB-Substrate bekannt. Auf der metallkaschierten Fläche 11 befinden sich löttechnisch 13 aufgebachte Bauelemente 14, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Leistungsdioden, Widerstände oder Sensoren. Einige dieser Bauelemente sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehende Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an das DCB- Substrat 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer großflächigen Lötverbindung 20 auf das Kühlelement 200 abgeleitet. Das Kühlelement besteht nach dem Stand der Technik aus einem dem DCB- Substrat zugewandten Grundkörper 220 sowie darauf angeordneten flächigen Kühlrippen 210. Gleichfalls dem Stand der Technik entspricht ein stoffbündiger Anschluss des Kühlelements 200 mittels eines druckkontaktierten Aufbaus, wobei das DCB-Substrat zur thermischen Verbindung auf das Kühlelement gedrückt wird und anstelle der Lötverbindung 20 eine geeignete Wärmeleitpaste eingebracht ist. 1 shows a power semiconductor module 1 consisting of a housing, not shown, also not shown connecting elements and a ceramic substrate 10 with metal-clad and structured surfaces arranged on its first main surface 11 as well as on his two th main surface arranged full-surface metal lamination 12 , Such metal-clad substrates 1 are known for example as DCB substrates. On the metal-clad surface 11 are soldering 13 constructed components 14 such as power transistors, power diodes, resistors or sensors. Some of these components are by means of bonds 15 connected to other metal-laminated surfaces. The in the components 14 The heat generated is predominantly via the solder 13 to the DCB substrate 1 issued. From there, the heat is medium by means of a large-area solder joint 20 on the cooling element 200 derived. The cooling element consists according to the prior art of a DCB substrate facing the base body 220 and arranged on this surface cooling fins 210 , Likewise in the prior art corresponds to a flush connection of the cooling element 200 by means of a pressure-contacted structure, wherein the DCB substrate is pressed onto the cooling element for thermal connection and instead of the solder connection 20 a suitable thermal paste is introduced.

2 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche des DCB- Substrats 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen angeordnet. Als stoffschlüssige Verbindungen eignen sich für diese Anordnung alle nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen. 2 shows in a three-dimensional view the view of the second major surface of the DCB substrate 1 , On the metallic lamination 12 of the ceramic substrate 10 is the inventive cooling device 4 consisting of individual cooling elements arranged. As material connections suitable for this arrangement, all known in the prior art methods, such as soldering, gluing or welding.

Die einzelnen Kühlelemente sind matrixartig, das heißt in Reihen und Spalten mit jeweils gleichem Abstand der einzelnen Kühlelemente zueinander angeordnet. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem zylinderförmigen Grundkörper 31 mit einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32, welche sich zur von dem DCB- Substrat 1 abgewandten Seite des Kühlelements 3 hin verjüngt.The individual cooling elements are matrix-like, that is arranged in rows and columns, each with the same distance of the individual cooling elements to each other. Each cooling element 3 the cooling device 4 in turn consists of a cylindrical base body 31 with a frustoconical elevation 32 which differs from the DCB substrate 1 opposite side of the cooling element 3 rejuvenated.

3 zeigt ebenfalls in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche des DCB- Substrats 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen 3 stoffschlüssig aufgebracht. 3 also shows in a three-dimensional view the view of the second major surface of the DCB substrate 1 , On the metallic lamination 12 of the ceramic substrate 10 is the inventive cooling device 4 consisting of individual cooling elements 3 cohesively applied.

Die einzelnen Kühlelemente 3 sind matrixartig, in Gruppen mit unterschiedlichem Abstand der Gruppen zueinander sowie in den Gruppen mit unterschiedlichen Abständen der Kühlelemente 3 zueinander angeordnet. Es erweist sich als vorteilhaft Gruppen an denjenigen Stellen des DCB- Substrats 1 zu bilden, an denen die größte Wärmelast abgeführt werden muss. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem quaderförmigen Grundkörper 31 mit einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der Grundkörper 31. Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung in Gruppen einzelner Kühlelemente können, um den unterschiedlichen abzuführenden Wärmelasten gerecht zu werden, Kühlelemente unterschiedlicher Form, Größe oder Oberflächengestaltung in einer Kühleinrichtung verwendet werden.The individual cooling elements 3 are matrix-like, in groups with different distances of the groups to each other and in the groups with different distances of the cooling elements 3 arranged to each other. It proves to be advantageous groups at those locations of the DCB substrate 1 to form, where the largest heat load must be dissipated. Each cooling element 3 the cooling device 4 in turn consists of a cuboid basic body 31 with a likewise cuboid elevation 32 with a smaller footprint than the main body 31 , Alternatively or in addition to the arrangement in groups of individual cooling elements, in order to meet the different heat loads to be dissipated, cooling elements of different shape, size or surface design can be used in a cooling device.

4 zeigt einige verschiedene Ausgestaltungen der Kühlelemente 3. 4a) zeigt ein einzelnes Kühlelement aus der 2 mit einem zylindrischen Grundkörper 31 und einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32. 4b) zeigt ein einzelnes Kühlelement, ähnlich 3, mit einem quaderförmigen Grundkörper 31 und einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der zugehörige Grundkörper. 4c) zeigt ein zylindrisches Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. 4d) zeigt ein quaderförmiges Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. 4e) zeigt ein Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 quaderförmig sowie die Erhebung 32 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. 4f) zeigt ein Kühlelement mit zylindrischem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls zylindrischen Erhebung 32, deren Oberfläche zur besseren Wärmeableitung wellenförmig strukturiert ist. 4g) zeigt ein Kühlelement mit quaderförmigem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit jeweils gleichen Grundflächen, wobei die nicht zum thermischem Kontakt mir dem DCB- Substrat 1 benötigten Oberflächen zur besseren Wärmeableitung sägezahnartig strukturiert sind. 4h) zeigt ein Kühlelement 3 als Teil einer erfinderischen Kühleinrichtung 4 mit einem quaderförmigen Grundkörper und mehr als einer, hier drei kegelstumpfförmigen Erhebungen 32. 4 shows some different embodiments of the cooling elements 3 , 4a ) shows a single cooling element from the 2 with a cylindrical base body 31 and a frusto-conical elevation 32 , 4b ) shows a single cooling element, similar 3 , with a cuboid basic body 31 and a likewise cuboid elevation 32 with a smaller base than the associated basic body. 4c ) shows a cylindrical cooling element, wherein the main body 31 as well as the survey 32 have identical bases. 4d ) shows a cuboid cooling element, wherein the main body 31 as well as the survey 32 have identical bases. 4e ) shows a cooling element, wherein the main body 31 cuboid and the elevation 32 is frusto-conical. 4f ) shows a cooling element with cylindrical body 31 as well as a cylindrical survey 32 whose surface is wave-shaped for better heat dissipation. 4g ) shows a cooling element with cuboid basic body 31 and also a cuboid survey 32 each with the same base areas, which are not for thermal contact with the DCB substrate 1 required surfaces are structured like a sawtooth for better heat dissipation. 4h ) shows a cooling element 3 as part of an inventive cooling device 4 with a cuboid base body and more than one, here three frustoconical elevations 32 ,

Die einzelnen Kühlelemente 3 der Kühleinrichtung 4 können jeweils einstückig aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Falls es technisch erforderlich ist, kann der Grundkörper 31 eines Kühlelements 3 aus einem anderen Werkstoff als die zugehörige Erhebung 32 bestehen.The individual cooling elements 3 the cooling device 4 can each be integrally made of a good heat conducting material such as aluminum or an aluminum alloy. If it is technically necessary, the basic body 31 a cooling element 3 made of a different material than the corresponding survey 32 consist.

5 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem DCB- Substrat 1, wobei sich auf der metallkaschierten Fläche 11 löttechnisch 13 aufgebachte Bauelemente 14 befinden. Einige dieser Bauelemente 14 sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehenden Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an das DCB- Substrat 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer stoffschlüssig, beispielhaft mittels Lot 20, mit der DCB 1 verbundenen erfinderischen Kühleinrichtung 4 an ein Kühlmedium abgegeben. Eine Mehrzahl von einzelnen Kühlelementen 3 ist hier mittels eines weiteren Teilkörpers 33 mit der Kühleinrichtung 4 verbunden. Dies kann technisch erforderlich sein, wenn

  • • als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet wird und durch den Teilkörper 33 ein geschlossener Kühlmittelkreislauf erreicht werden kann; und/oder
  • • als Verbindung zwischen dem DCB- Substrat 1 und dem Kühlelement 4 eine Druckkontaktierung verwendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft das Kühlelement 4 in größeren Einheiten von Kühlelementen 3 mit dem DCB- Substrat 1 zu verbinden. In diesem Fall würde das Lot 20 durch ein wärmeleitendes Medium ersetzt werden können.
5 shows a power semiconductor module consisting of a housing, not shown, also not shown connecting elements and a DCB substrate 1 , taking on the metal-clad surface 11 löttechnisch 13 constructed components 14 are located. Some of these components 14 are by means of bond connections 15 connected to other metal-laminated surfaces. The in the components 14 The heat generated is predominantly via the solder 13 to the DCB substrate 1 issued. From there, the heat is medium by means of a cohesive, for example by means of solder 20 , with the DCB 1 connected inventive cooling device 4 delivered to a cooling medium. A plurality of individual cooling elements 3 is here by means of another part body 33 with the cooling device 4 connected. This may be technically necessary if
  • • A liquid is used as the cooling medium and through the part body 33 a closed coolant circuit can be achieved; and or
  • • as a connection between the DCB substrate 1 and the cooling element 4 a pressure contact is used. In this case, it is advantageous the cooling element 4 in larger units of cooling elements 3 with the DCB substrate 1 connect to. In this case, the lot would 20 can be replaced by a thermally conductive medium.

Die vorgestellte erfinderische Kühleinrichtung 4 weist gegenüber Kühleinrichtungen nach dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:
Bei stoffschlüssigen Verbindungen sind nur kleinflächige Verbindungsflächen vorhanden. Daher werden die Auswirkungen thermischer Ausdehnungseffekte vermindert oder vollständig verhindert.The presented inventive cooling device 4 has the following advantages over cooling devices according to the prior art:
In cohesive connections only small-area connecting surfaces are present. Therefore, the effects of thermal expansion effects are reduced or completely prevented.

Bei stoffbündigen sowie stoffschlüssigen Verbindungen wird die Wärme dezidiert an den Stellen abgeleitet, an denen sie auftritt.at material flush as well as cohesive connections gets the heat decidedly deduced at the places where it occurs.

Es können beliebige gasförmige oder flüssige Kühlmedien verwendet werden.It can any gaseous or liquid cooling media be used.

Claims (11)

Kühleinrichtung (4) für Leistungshalbleitermodule (1) bestehend aus einem Gehäuse, Anschlusselementen, einem keramischen Substrat (10) mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen (11) sowie einer auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneten vollflächigen Metallkaschierung (12) und auf der metallkaschierten Fläche (11) befindlichen, löttechnisch (13) aufgebachten, zum Teil mittels Bondverbindungen (15) mit metallkaschierten Flächen (11) verbundenen, Bauelementen (14), wobei die Kühleinrichtung aus zweidimensional, matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordneten Einzelkühlelementen (3) besteht wobei jedes Einzelkühlelement thermisch mit der vollflächigen Metallkaschierung (12) der zweiten Hauptfläche des zu kühlenden Leistungshalbleitermoduls (1) verbunden ist.Cooling device ( 4 ) for power semiconductor modules ( 1 ) consisting of a housing, connecting elements, a ceramic substrate ( 10 ) with metal-clad and structured surfaces arranged on its first main surface ( 11 ) and a arranged on its second major surface full-surface metal lamination ( 12 ) and on the metal-clad surface ( 11 ), soldering technology ( 13 ), partly by means of bonds ( 15 ) with metal-coated surfaces ( 11 ), components ( 14 ), wherein the cooling device consists of two-dimensional, individual cooling elements arranged in a matrix-like manner in at least two rows and at least two columns (US Pat. 3 ) wherein each individual cooling element thermally with the full-surface metal lamination ( 12 ) of the second main surface of the power semiconductor module to be cooled ( 1 ) connected is. Kühleinrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelkühlelement (3) aus zwei Teilkörpern, einem dem zu kühlenden Leistungshalbleitermodul zugewandten Grundkörper (31) und einer auf diesem Grundkörper angeordneten finger- oder plattenartigen Erhebung (32) besteht.Cooling device ( 4 ) according to claim 1, characterized in that a single cooling element ( 3 ) of two partial bodies, a basic body facing the power semiconductor module to be cooled ( 31 ) and arranged on this body finger- or plate-like survey ( 32 ) consists. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Einzelkühlelemente (3) zumindest teilweise strukturiert ausgeführt sind.Cooling device according to claim 1, characterized in that the surfaces of the individual cooling elements ( 3 ) are executed at least partially structured. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (31) sowie die fingerartige Erhebung (32) des Einzelkühlelemente (3) einen runden oder eckigen Querschnitt aufweist. Cooling device according to claim 1 and 2, characterized in that the basic body ( 31 ) and the finger-like survey ( 32 ) of the individual cooling elements ( 3 ) has a round or angular cross-section. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kühleinrichtung (4) bildenden Einzelkühlelemente (3) auf Grund der abzuführenden Wärmemengen unterschiedliche Ausgestaltungen hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen sowohl in der Länge, der Breite bzw. des Durchmessers, als auch hinsichtlich der Höhe sowohl der Grundkörper (31) als auch der fingerartigen Erhebungen (32) aufweisen.Cooling device according to claim 1 to 4, characterized in that the one cooling device ( 4 ) forming individual cooling elements ( 3 ) due to the amount of heat dissipated different configurations in terms of their geometric dimensions in both the length, the width and the diameter, as well as in terms of the height of both the main body ( 31 ) as well as the finger-like elevations ( 32 ) exhibit. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundköper (31) und/oder die fingerartigen Erhebungen (32) eines Einzelkühlelements (3) sich in Richtung ihres dem Leistungshalbleitermodul (1) abgewandten Endes hin verjüngen.Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the basic bodies ( 31 ) and / or the finger-like elevations ( 32 ) of a single cooling element ( 3 ) in the direction of their power semiconductor module ( 1 ) taper away from the end. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens jeweils zwei der Einzelkühlelemente (3) auf ihrer dem Halbleitermodul (1) abgewandten Seite mittels eines weiteren Teilkörpers (33) verbunden sind.Cooling device according to claim 1, characterized in that at least two of the individual cooling elements ( 3 ) on its the semiconductor module ( 1 ) facing away by means of a further partial body ( 33 ) are connected. Kühleinrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörpern der Einzelkühlelement (3) einstückig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt sind.Cooling device according to claim 2 or 6, characterized in that the part bodies of the individual cooling element ( 3 ) are made in one piece of aluminum or an aluminum alloy. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung (4) bildenden Einzelkühlelementen (3) und dem Leistungshalbleitermodul stoffschlüssig mittels löten, kleben oder schweißen ausgeführt sind.Cooling device according to claim 1, characterized in that the contact points between the cooling device ( 4 ) forming individual cooling elements ( 3 ) and the power semiconductor module cohesively by soldering, gluing or welding are executed. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung (4) bildenden Einzelkühlelementen (3) und dem Leistungshalbleitermodul stoffbündig mittels einer das Leistungshalbleitermodul mit der Kühleinrichtung (4) verbindenden Druckeinrichtung ausgeführt sind.Cooling device according to claim 1, characterized in that the contact points between the cooling device ( 4 ) forming individual cooling elements ( 3 ) and the power semiconductor module flush by means of a power semiconductor module with the cooling device ( 4 ) connecting printing device are executed. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium gasförmige oder flüssige Stoffe verwendet werden.cooling device according to claim 1, characterized in that as the cooling medium gaseous or liquid Substances are used.
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