DE102004014911A1 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Halbleitermodul (100) geschaffen, welches einen ortsfesten Kühler (2), einen verformbaren Kühler (3) und einen flachen Halbleiterbaustein (1) aufweist, wobei der flache Halbleiterbaustein zwischen den Kühlern angeordnet ist. Eine relative die Lage betreffende Beziehung des Halbleiterbausteins ist bezüglich des ortsfesten Kühlers ortsfest, aber bezüglich des verformbaren Kühlers veränderlich. Der verformbare Kühler weist ein verformbares Element (31) aus einer dünnen Metallplatte auf, welches eine Kühlmittelkammer (3a) bedeckt. Das Halbleitermodul weist eine Einklemmeinrichtung (20) auf, die bewirkt, dass der ortsfeste Kühler in Richtung des verformbaren Kühlers gepresst wird. Befestigungsjustierungsschrauben (201, 202) der Einklemmeinrichtung bewirken, dass sich ein Anpressrahmen (203) einem Kühlkörper (32) des verformbaren Kühlers nähert. Deshalb wird der Halbleiterbaustein über den ortsfesten Kühler gepresst und das verformbare Element leicht verformt. Dies erhöht einen Kontaktierungsgrad zwischen dem Halbleiterbaustein und dem verformbaren Element über ein isolierendes Element (17).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul.
  • Ein Halbleiterleistungsverstärker, welcher in einer Umkehrschaltung zum Ansteuern eines Fahrzeugmotors verwendet wird, ist als Leistungsverstärkerbaustein erhältlich. In diesem Leistungsverstärkerbaustein ist ein Gussharz integriert, in dem ein Leistungsverstärker zwischen Wärmesenken von abstrahlenden Elementen angeordnet ist. Der Leistungsverstärker weist einen Bipolartransistor mit integriertem Gate (IGBT) auf, welcher als typischer Leistungsverstärker gilt. Das Leistungsteil des IGBTs ist zwischen den Wärmesenken angeordnet, während ein Emitter oder ein Kollektor des Leistungsverstärkers unter Verwendung von Lot direkt oder über ein Zwischenstück mit der Wärmesenke verbunden ist. Hierbei arbeitet die Wärmesenke als Pfad für einen hohen Strom.
  • Der obige Leistungsverstärkerbaustein ist in einer in der Praxis umgesetzten Anwendung als Halbleitermodul vorgesehen, welches einen Kühler aufweist, der mit dem Leistungsverstärkerbaustein über ein dünnes isolierendes Element verbunden ist. Die JP-A-2001-352023 (USP-6542365) offenbart beispielsweise einen Aufbau, bei dem ein Leistungsverstärkerbaustein zwischen einem aus einer Aluminiumlegierung gebildeten, als Kühler dienenden Kühlrohrpaar angeordnet ist.
  • Hierbei weist ein Modul, welches durch die Montage eines Leistungsverstärkerbausteins und eines Kühlers gebildet wird, mitunter einen unzureichenden Kontaktie rungsgrad zwischen Wärmesenken des Leistungsverstärkerbausteins und dem Kühler auf, was eine Kühlleistung bezüglich des Leistungsverstärkers nachteilig verringert. Dies resultiert aus Änderungen eines Parallelitätsgrads beider Wärmesenken, Flachheit des Kühlers oder Dicke eines eingefügten isolierenden Elements.
  • Eine Maßgenauigkeit der Komponenten oder eine Montagegenauigkeit kann zu einem Niveau von ± 0,1 mm verbessert werden. Ein um einem Faktor 10 reduziertes Niveau von ± 0,01 mm ist jedoch außergewöhnlich schwierig zu erreichen. Es wird deshalb vorzugsweise eine Methode benötigt, welche sich von der Erhöhung der Maß- oder Montagegenauigkeit unterscheidet.
  • Genauer gesagt offenbart das Patent, auf das oben Bezug genommen wurde, eine Methode zum Verbessern des Kontaktierungsgrads zwischen der Wärmesenke und dem Kühler. Bei dieser Methode wird ein dünn verarbeitetes Weichmetallelement, zusätzlich zu einem isolierenden Element, zwischen die Wärmesenke und den Kühler eingefügt, um eine Ungleichförmigkeit der Kontaktoberflächen zu kompensieren. Es ist jedoch eine Methode erforderlich, die derart weiter verbessert ist, dass der eine hohe Leistungsabgabe aufweisende Leistungsverstärker stark und sicher gekühlt wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul vorzusehen, welches einen derartigen Aufbau aufweist, dass der Halbleiterchip angemessen gekühlt wird.
  • Um die obige Aufgabe zu erzielen, ist ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul, welches einen Halbleiterbaustein aufweist, der Wärme von seiner oberen und seiner unteren Oberflächen abstrahlt, mit dem Folgenden vorgese hen. Es sind ein erster und ein zweiter ein Kühlmittel aufweisender Kühler vorgesehen, welche den Halbleiterbaustein zwischen sich anordnen. Es ist eine Einklemmeinrichtung vorgesehen, welche bewirkt, dass die zwei Kühler den Halbleiterbaustein fest zwischen sich einklemmen. Wenigstens einer der zwei Kühler weist ein verformbares Element auf. Das verformbare Element weist eine erste dem Kühlmittel gegenüberliegende Oberfläche und eine zweite dem Halbleiterbaustein gegenüberliegende Oberfläche auf. Das verformbare Element ist derart verformbar, dass es in eine Kühlmittelrichtung oder in eine Halbleiterbausteinrichtung gebogen wird.
  • Dieser Aufbau kann leichte Maßabweichungen von ausgelegten Dimensionierungen kompensieren, wie zum Beispiel Maßtoleranzen eines in der Praxis umgesetzten Halbleiterbausteins oder eines in der Praxis umgesetzten Kühlers, was zu einer Verringerung des Wärmewiderstands führt.
  • Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mehr ersichtlich, welche unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wird. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 eine Schnittansicht eines schematischen Aufbaus eines zweiseitig kühlenden Halbleitermoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Perspektivansicht, welche ein Montageverfahren eines Kühlkörpers gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
  • 3 eine Schnittansicht eines schematischen Aufbaus eines zweiseitig kühlenden Halbleitermoduls gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform;
  • 4 eine Schnittansicht eines schematischen Aufbaus eines zweiseitig kühlenden Halbleitermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Schnittansicht eines Kühlers gemäß der zweiten Ausführungsform;
  • 6 eine Perspektivansicht eines ein Stützelement aufweisenden Kühlkörperelements gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
  • 7 eine Schnittansicht eines Kühlers gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
  • 8 eine Schnittansicht eines schematischen Aufbaus eines zweiseitig kühlenden Halbleitermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 eine Schnittansicht eines schematischen Aufbaus eines zweiseitig kühlenden Halbleitermoduls gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul. Unter Bezugnahme auf 1 wird ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul 100 gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben. Bei dem Modul ist ein flacher Halbleiterbaustein 1 zwischen einem ortsfesten Kühler 2 und einem verformbaren Kühler 3 angeordnet. Zwischen dem Halbleiterbaustein 1 und beiden der Kühler 2, 3 ist ein schichtartiges, isolierendes Element 17, 18 eingefügt. Ferner weist das Halbleitermodul 100 eine Einklemmeinrichtung 20 auf, die bewirkt, dass die Kühler 2, 3 den Halbleiterbaustein 1 fest zwischen sich einklemmen.
  • Eine relative die Lage betreffende Beziehung des Halbleiterbausteins ist bezüglich des ortsfesten Kühlers 2 ortsfest aber bezüglich des verformbaren Kühlers 3 ver änderlich. Befestigungsjustierungsschrauben 201, 202 der Einklemmeinrichtung 20 ermöglichen es, dass sich ein Anpressrahmen 203 einem Kühlkörper 32 des verformbaren Kühlers 3 nähert. Folglich wird der Halbleiterbaustein 1 über den ortsfesten Kühler 2 gepresst, während das verformbare Element 31 leicht verformt wird. Dies verbessert einen Kontaktierungsgrad zwischen dem Halbleiterbaustein 1 und dem verformbaren Element 31 über das isolierende Element 17.
  • Der Halbleiterbaustein 1 weist einen Halbleiterchip 10 und abstrahlende Elemente (Wärmesenken) 12, 14 auf, zwischen denen der Halbleiterchip 10 angeordnet (zwischengeschichtet) ist. Diese Elemente 12, 14, 10 sind alle in einem Gussharzelement 16 integriert. Der Halbleiterbaustein 1 bildet beispielsweise einen Teil einer Dreiphasenumkehrschaltung eines bürstenlosen Motors. Der Halbleiterchip 10 weist beispielsweise einen IGBT (Bipolartransistor mit integriertem Gate) oder einen Leistungs-MOSFET auf. Der mit einer induktiven Last wie zum Beispiel einem Motor verbundene IGBT ist parallel mit einer Rückspeisefreilaufdiode verbunden (nicht in 1 gezeigt).
  • Der Halbleiterchip 10 weist eine dünne Plattenform auf. Ferner weist er ein offenes Gate und einen offenen Emitter (oder Source) an seiner Oberfläche auf. Ferner weist er einen Kollektor (oder Drain) an einer gegenüberliegenden Oberfläche auf. Der Halbleiterchip 10 ist beispielsweise unter Verwendung von Lotverbindungselementen jeweils direkt oder über ein Zwischenstück 13 elektrisch mit den Wärmesenken verbunden. Der Emitter und der Kollektor des Halbleiterchips 10 sind dadurch jeweils elektrisch mit den Wärmesenken 12, 14 verbunden. Zusätzlich weist der Halbleiterchip 10 ein offenes Gate an der Oberfläche auf, an der der Emitter offenliegt. Das Gate ist ferner elektrisch mit einem Anschlussdraht (nicht gezeigt) für Steuersignale verbunden, welcher äußerlich von dem verkapselten Harzelement 16 aus hervorragt.
  • Jede der Wärmesenken 12, 14, welche eine flache oder eine Plattenform aufweist, weist eine wärmeaufnehmende Oberfläche auf, welche dem Halbleiterchip 10 und einer gegenüberliegenden abstrahlenden Oberfläche gegenüberliegt, welche beide derart angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die Wärmesenken 12, 14 sind derart angeordnet, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander sind. Jede der Wärmesenken 12, 14 ist vorteilhafterweise aus einem reinen Metall gebildet, welches aus einer Gruppe aus Cu, W, Mo und Al oder einer Legierung ausgewählt wird, wobei die Legierung hauptsächlich die Metallen aufweist, die angesichts eines Faktors bezüglich der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt sind.
  • Ferner wird das Gussharzelement 16 derart gebildet, dass es die Umfangsfläche des Halbleiterchips 10 bedeckt oder beschichtet und den durch die Wärmesenken 12, 14 gebildeten Zwischenraum füllt. Das Gussharzelement 16 ist zum Beispiel aus Epoxidharz gebildet. In den Wärmesenken 12, 14 sind jeweils für einen hohen Strom ausgelegte Anschlussdrähte 120, 140 integriert, welche äußerlich von dem verkapselte Harzelement 16 aus hervorragen (s. z.B. 8, nachstehend erläutert). In 8 sind die Anschlussdrähte 120, 140 derart angeordnet, dass sie sich rechtwinklig zur Figurenoberfläche erstrecken.
  • Der ortsfeste Kühler 2 ist ein Kühlmittelrohr, welches eine flache Form aufweist und durch Formen eines leicht formbaren Metalls wie zum Beispiel Aluminiumoxid und Aluminiumoxidlegierung gebildet wird. Der ortsfeste Kühler 2 weist wenigstens einen Kühlmittelpfad 2a auf, durch welchen ein Kühlmittel wie zum Beispiel Wasser mittels einer Kühlkreislaufvorrichtung (nicht gezeigt) zirkuliert wird. Der ortsfeste Kühler 2 weist ferner eine flache wärmeaufnehmende Oberfläche 2p und eine flache gepresste Oberfläche 2q auf, die der wärmeaufnehmenden Oberfläche 2p über den Kühlmittelpfad 2a gegenüberliegt. Die wärmeaufnehmende Oberfläche 2p liegt dem Halbleiterbaustein 1 über das isolierende Element 18 äußerlich gegenüber, während die gepresste Oberfläche 2q in Kontakt mit einem Pressrahmen 203 ist.
  • Der verformbare Kühler 3 weist einen eine Kühlmittelkammer 3a bildenden Kühlkörper 32 und ein verformbares Element 31 auf, dessen Rand an dem Kühlkörper 32 befestigt ist. Durch die Kühlmittelkammer 3a des verformbaren Kühlers 3 zirkuliert ein Kühlmittel wie zum Beispiel Wasser, welches dem des ortsfesten Kühlers 2 gleicht. Das verformbare Element 31 weist eine erste Oberfläche auf, welche dem Kühlmittel gegenüberliegt und die Kühlmittelkammer 3a abdichtet. Ferner weist das verformbare Element 31 eine zweite gegenüberliegende Oberfläche auf, welche dem Halbleiterbaustein 1 über das isolierende Element 17 gegenüberliegt. Die Maße der Oberflächen (wärmeaufnehmende Oberflächen) des verformbaren Elements 31 sind derart ausgelegt, dass sie viel größer als die der abstrahlenden Oberflächen (obere und untere Oberfläche) des Halbleiterbausteins 1 sind.
  • Das verformbare Element 31 kann aus einer oder einer Vielzahl von Schichten dünner Metallplatten gebildet sein. Das verformbare Element 31 ist vorzugsweise mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit und einer adäquaten Flexibilität versehen. Genauer gesagt kann es aus einem Material wie zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierung, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidlegierung oder Edelstahl gebildet sein.
  • In dieser ersten Ausführungsform kann der Kühlkörper 32 aus einem Metalllaminat gebildet sein, das durch Stapelung von dünnen Platten gebildet wird, wobei Material (Kupfer, Kupferlegierung, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidlegierung oder Edelstahl) verwendet wird, welches gleich oder verschieden von dem des verformbaren Elements ist. Dies ermöglicht eine wünschenswerte Wärmeleitfähigkeit. Im Einzelnen wird der Kühlkörper 32, wie in 2 gezeigt, gebildet, wobei verwendet werden: eine dünne Metallplatte 321, welche einen Boden bildet, dünne Metallplatten 320, welche die Seiten der Kühlmittelkammer 3a bilden und eine Metallplatte des verformbaren Elements 31 als Abdeckung der Kühlmittelkammer 3a; sämtliche der dünnen Metallplatten 321, 320, 31 sind gestapelt und unter Verwendung eines Verbindungselements wie zum Beispiel einem Hartlotelement verbunden. Wie bei dem ortsfesten Kühler 2, wird hierbei ein Kühlmittel wie zum Beispiel Wasser mittels einer Kühlkreislaufvorrichtung durch die Kühlmittelkammer 3a zirkuliert.
  • Wie in 1 gezeigt, weist die Einklemmeinrichtung 20, die bewirkt, dass die Kühler 2, 3 den Halbleiterbaustein 1 fest zwischen sich einklemmen, einen aus Metall gebildeten Anpressrahmen 203 und Justierungsschrauben 201, 202 auf. Der Anpressrahmen 203 ist zum Bedecken des ortsfesten Kühlers 2 angeordnet und weist konvexe Abschnitte 211 auf, welche derart der gepressten Oberfläche 2q des ortsfesten Kühlers gegenüberliegen, dass die Effektivität bezüglich des Pressens der gepressten Oberfläche 2q erhöht wird. Die Justierungsschrauben 201, 202 schrauben sich derart in Befestigungslöcher, welche in dem Kühlkörper 32 des verformbaren Kühlers 3 gebildet sind, dass der Anpressrahmen 203 an dem Kühlkörper 32 befestigt wird. Es kann ein Dichtungsring oder ein Federring bezüglich einer festen Befestigung verwendet werden.
  • Das Befestigen der Justierungsschrauben 201 und 202 bewirkt, dass der Anpressrahmen 203 sich dem Kühlkörper 32 des verformbaren Kühlers 3 nähert. Gleichzeitig pressen die konvexen Abschnitte 211 die gepresste Oberfläche 2q des ortsfesten Kühlers 2. Dadurch wird der Halbleiterbaustein 1 derart über den ortsfesten Kühler 2 gepresst, dass das die dünne Metallplatte aufweisende verformbare Element 31 sehr leicht bezüglich einer elastischen oder plastischen Verformung verformt wird. Dies kompensiert notwendigerweise eine Fehlausrichtung der ausgelegten Dimensionierungen bezüglich eines Parallelitätsgrads der Wärmesenken 12 und 14, einer Flachheit des ortsfesten Kühlers 2 oder einer Dicke der eingefügten isolierenden Elemente 17 und 18. Dadurch werden schwer Spalte erzeugt und ein Wärmewiderstand kann verringert werden. Der Anpressdruck oder die Kraft mit welcher der Anpressrahmen 203 den ortsfesten Kühler 2 versieht, wird gemäß einem Befestigungsgrad der Justierungsschrauben 201, 202 geändert. Es ist ein Änderungsgrad des verformbaren Elements 31 innerhalb eines zulässigen Limits justierbar.
  • Die Maßtoleranz des Halbleiterbausteins oder des Kühlers ist circa ± 100 μm. Um diese Maßtoleranz zu kompensieren, kann der Änderungsgrad des verformbaren Elements auf einen kleinen Wert begrenzt werden. Ferner kann das aus einer dünnen Metallplatte gebildete verformbare Element 31 eine alterungsbedingte Änderung (Abnahme) des Anpressdrucks begrenzen.
  • Wie in 3 gezeigt, kann ferner ein Metallzwischenstück 34 als Element integriert in oder getrennt von dem verformbaren Element 31 angeordnet werden. Eine Erhöhung des Bodens unter Verwendung des Metallzwischenstücks ermöglicht es hierbei, dass die für hohen Strom ausgelegten Anschlussdrähten 120, 140 leicht installiert werden können (s. 5). Zusätzlich kann das Metallzwischenstück 34 derart an dem Halbleiterbaustein 1 befestigt werden, dass das Halbleitermodul 100 leicht montiert werden kann.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 4 zeigt ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul 101 einer zweiten Ausführungsform und 5 einen verformbaren Kühler 40 des Moduls 101. Dieses Halbleitermodul 101 gleicht dem Halbleitermodul 100 der ersten Ausführungsform, so dass eine Beschreibung bezüglich gemeinsamer Teile nachstehend entfällt.
  • Wie in 5 gezeigt, weist ein Kühlkörper 41 des verformbaren Kühlers 40 einen derartigen Rahmenaufbau auf, dass eine Kühlmittelkammer 40a mit einem ersten verformbaren Element 43 und einem zweiten verformbaren Element 44 verschossen wird. Ähnlich dem in 1 gezeigten verformbaren Element 31, sind das erste und das zweite verformbare Element 43, 44 aus beispielsweise dünnen Metallplatten gebildet. Der Rand des ersten und zweiten verformbaren Elements 43, 44 ist an dem Kühlkörper 41 befestigt.
  • Das erste verformbare Element 43 weist eine Oberfläche auf, welche einem Kühlmittel gegenüberliegt und eine gegenüberliegende Oberfläche auf, welche eine wärmeaufnehmende Oberfläche ist. Das zweite verformbare Element 44 liegt dem ersten verformbaren Element 43 über eine Kühlmittelkammer 40a gegenüber und weist ein Stützelement 42 auf, das innerhalb der Kühlmittelkammer 40a in Richtung des ersten verformbaren Elements 43 hervorragt. Das Stützelement 42 kann ein Metallblock sein, welcher auf einer Oberfläche des zweiten verformbaren dem Kühlmittel gegenüberliegenden Elements 44 angeordnet ist; andern falls kann ein Metalllaminat vorgesehen sein, welches durch eine dünne Metallplatte 410 (s. 6) gebildetes wird, die ein nicht durchdringendes Teil 420 zum Bilden des Stützelements 42 aufweist. Und zwar wird die dünne Metallplatte 410 gebildet, indem ein derartiges Loch hinein gebohrt wird, dass das nicht durchdringende Teil 420 zurückbleibt; Ferner werden, wie in 2 gezeigt, die dünnen die dünne Metallplatte 410 aufweisenden Metallplatten zum Bilden eines Kühlkörpers 41 aufgestapelt. Dies ermöglicht eine Bildung des mit dem Stützelement 42 integrierten Kühlkörpers 41.
  • Wie in 4 gezeigt, weist das Halbleitermodul 101 den oben erwähnten verformbaren Kühler 40, einen Halbleiterbaustein 1, einen ortsfesten Kühler 2 und eine erste und eine zweite Einklemmeinrichtung 20, 48 auf. Die erste Einklemmeinrichtung 20 ist vorstehend bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben worden. Die zweite Einklemmeinrichtung 48 weist eine relative die Lage betreffende ortsfeste Beziehung bezüglich des Kühlkörpers 41 auf. Im Einzelnen weist die Einklemmeinrichtung 48 ein aus Metall gebildetes Basiselement 46 auf, an dem der Kühlkörper 41 befestigt ist und eine Justierungsschraube 47 auf, welche in dem Basiselement 46 vorgesehen ist.
  • Das Basiselement 46 weist ein Befestigungsloch auf, in dem die Justierungsschraube 47 befestigt ist; die Justierungsschraube 47 ist derart beweglich, dass sie sich dem zweiten verformbaren Element 44 nähern oder sich von dem zweiten verformbaren Element 44 entfernen kann. Und zwar bewirkt ein Befestigen der Justierungsschraube 47, dass ihre Spitze in Kontakt mit dem zweiten verformbaren Element 44 kommt. Ferner bewirkt eine Erhöhung des Befestigungsgrads der Schraube 47, dass sich das Stützelement 42 dem ersten verformbaren Element 43 nähert. Das Stützelement 42 presst oder stützt dabei das erste verformbare Element 43 von einer Innenseite der Kühlmittelkammer 40a aus. Folglich wird der Halbleiterbaustein 1 zwischen den beiden Kühlern 2, 40 eingeklemmt. Eine leichte Verformung des ersten verformbaren Elements 43 kann derart die Maßtoleranz der Komponenten aufnehmen, dass die Spalten zwischen den Komponenten verringert werden und der Wärmewiderstand niedergehalten wird.
  • Ferner wird gemäß einem Befestigungsgrad der das Stützelement 42 pressenden Justierungsschraube 47 ein Bewegungsgrad des Stützelements 42 in Richtung des ersten verformbaren Elements 43 geändert; dann wird gemäß dem Bewegungsgrad des das erste verformbare Element 43 pressenden Stützelements 42 ein Änderungsgrad des ersten verformbaren Elements 43 in Richtung des Halbleiterbausteins 1 geändert. Folglich kann eine leichte Justierung der Justierungsschraube 47 eine gewaltsame Anpressung oder einen Mangel an Anpressdruck bezüglich des Halbleiterbausteins 1 verhindern. Dadurch kann eine Beschädigung des Halbleiterbausteins 1 auf Grund eines gewaltsamen Drucks verhindern. Nachdem der Halbleiterbaustein 1 zwischen den Kühlern 2, 40 angeordnet worden ist, kann dann ferner die Einklemmeinrichtung 48 den Halbleiterbaustein 1 fest einklemmen und die Leichtigkeit bezüglich einer Montage des Halbleitermoduls 101 verbessern.
  • Hierbei funktionieren der Anpressrahmen 203 und die Justierungsschrauben 201, 202 ebenso als eine Befestigungseinrichtung, die die relative die Lage betreffende Beziehung zwischen dem Kühlkörper 41 des verformbaren Kühlers 40 und dem ortsfesten Kühler 2 festlegen. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, können die Justierungsschrauben 201 und 202 derart befestigend betätigt werden, dass der Halbleiterbaustein 1 durch sowohl die oberen als auch die unteren Oberflächen fest eingeklemmt werden kann.
  • Wie in 7 gezeigt, kann ferner ein verformbarer Kühler 50 angeordnet werden, der zu einer Innenseite der Kühlmittelkammer 50a hervorragende Kühlrippen 53 aufweist. Eine Anordnung dieses Kühlers 50 kann ein Halbleitermodul vorsehen, das den Halbleiterbaustein 1 sicher kühlt. Die Kühlrippen 53 können eine Form aufweisen, welche zum Beispiel Konkavität- und Konvexitätszyklen aufweist, die eine größere Ausdehnung bezüglich eines Kontakts mit dem Kühlmittel als die flache Form aufweisen. Die Kühlrippen 53 können derart angeordnet sein, dass sie an dem ersten verformbaren Element 52 befestigt sind, an dem der Halbleiterbaustein 1 befestigt ist. Hierbei kann das zweite verformbare Element 55 derart angeordnet sein, dass es dem ersten verformbaren Element 52 über die Kühlmittelkammer 50a gegenüberliegt; ferner ist an dem zweite verformbaren Element 55 das Stützelement 54 befestigt, welches innerhalb der Kühlmittelkammer 50a in Richtung des ersten verformbaren Elements 52 hervorragt.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 8 zeigt ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul 102 einer dritten Ausführungsform. Dieses Halbleitermodul 102 weist einen Halbleiterbaustein 1, einen ortsfesten Kühler 60, einen verformbaren Kühler 40, welcher dem Kühler 40 aus 4 entspricht, und eine Einklemmeinrichtung 48 auf. Diese Einklemmeinrichtung weist ein Basiselement 46 auf. Das Basiselement 46 und der ortsfeste Kühler 60 sind derart durch ein verbindendes Element 61 verbunden, dass eine relative die Lage betreffende Beziehung dazwischen ortsfest ist. In diesem Halbleitermodul 102 bewirkt ein angemessenes Befestigen einer Justierungsschraube 47, dass der Halbleiterbaustein 1 fest zwischen dem verformbaren Kühler 40 und dem ortsfesten Kühler 60 eingeklemmt wird. Deshalb weist diese Ausführungs form im Wesentlichen den gleichen Effekt wie die zweite Ausführungsform auf.
  • Das Verbindungselement 61 ist ein Metallelement, in dem der ortsfeste Kühler 60 integriert ist oder von dem der ortsfesten Kühler 60 separat angeordnet ist. Der ortsfeste Kühler 60, welcher eine flache Form aufweist, weist einen oder eine Vielzahl von Kühlpfaden 60a auf. Das Verbindungselement 61 ist derart verbunden, dass es an seinem einen Ende an dem Basiselement 46 befestigt und an seinem anderen Ende an einem Abschnitt des ortsfesten Kühlers 60 befestigt ist, und zwar an dem Abschnitt, der keinen Kühlpfad 60a aufweist. Das Basiselement 46 ist an dem Kühlkörper 41 des verformbaren Kühlers 40 befestigt. Wie in 8 gezeigt, führt dies dazu, dass der ortsfeste Kühler 60, das Verbindungselement 61 und das Basiselement 46 derart montiert sind, dass sie einen u-förmigen Querschnitt aufweisen, innerhalb welchem der Halbleiterbaustein 1 und der verformbare Kühler 40 angeordnet sind. Folglich legt das Verbindungselement 61 präzise eine relative die Lage betreffende Beziehung zwischen dem ortsfesten Kühler 60 und dem Kühlkörper 41 des verformbaren Kühlers 40 fest. Die Einklemmkraft zum Einklemmen des Halbleiterbausteins 1 wird durch die Einklemmeinrichtung 48 und das verformbare Element 43, 44 gesteuert.
  • Wie in 8 gezeigt, erstrecken sich ferner die für einen hohen Strom ausgelegten Anschlussdrähte 120 und 140 äußerlich parallel einer Oberflächenrichtung des Halbleiterbausteins 1.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • 9 zeigt ein zweiseitig kühlendes Halbleitermodul 103 einer vierten Ausführungsform. Dieses Halbleitermodul 103 ist derart aufgebaut, dass ein Halbleiterbaustein 1 zwischen einem Paar zweier verformbarer Kühler angeordnet ist. Ferner ist dieses Paar zweier verformbarer Kühler, wie in 9 gezeigt, als ein einen u-förmigen Querschnitt aufweisender Kühler 80 integriert.
  • Dieser Kühler 80 weist einen Kühlkörper 81, verformbare Elemente 76, 78, 84, deren Ränder an dem Kühlkörper 81 befestigt sind und eine Einklemmeinrichtung 72, 75 auf, welche an der oberen und der unteren Seite des Kühlers 80 angeordnet ist. Hierbei werden die verformbaren Elemente 76, 78, 84 als Abdeckung für eine Kühlmittelkammer 80a verwendet. Die verformbaren Elemente 76, 78, 84 sind aus dünnen Metallplatten gebildet, ähnlich wie die der obigen Ausführungsformen. Hierbei wird das verformbare Element 84, welches Wärme von dem Halbleiterbaustein 1 absorbiert, vorab derart gebildet, dass es einen u-förmigen Querschnitt aufweist. Die Kühlmittelkammer 80a ist dabei derart gebildet, dass sie den Halbleiterbaustein 1 umhüllt und die obere Seite des Halbleiterbausteins 1 mit der unteren Seite des Halbleiterbausteins 1 fluid verbindet. Der Kühler 80 ist bezüglich des Halbleiterbausteins 1 an dessen oberer und unterer Seite annähernd symmetrisch.
  • Der Halbleiterbaustein 1 ist innerhalb des verformbaren Elements 84 angeordnet, welches die Wärme über ein isolierendes Element 17, 18 und Zwischenstücken 34, 35 absorbiert. Die Einklemmeinrichtung 72, 75 weist jeweils Basiselemente 70, 73 und Justierungsschrauben 71, 74 auf. Eine Steuerung der Befestigungsgrade der Justierungsschrauben 71, 74 führt zu einer Steuerung von Bewegungsgraden von Stützelementen 77, 79, was zu einer Steuerung von Änderungsgraden der verformbaren Elemente 76, 78, 84 führt. Ruf diese Weise wird der Halbleiterbaustein 1 innerhalb des u-förmigen Zwischenraums gehalten.
  • (weitere Ausführungsformen)
  • In den obigen Ausführungsformen kann die Einklemmeinrichtung einen Druck eines Kühlmittels verwenden, das durch die Kühler zirkuliert wird.
  • Die obigen Ausführungsformen können derart miteinander kombiniert werden, dass sie effektiv sind. Ferner kann eine Beschreibung einer Ausführungsform ebenso für eine weitere Ausführungsform verwendet werden.
  • Es wird Fachleuten ersichtlich sein, dass es in den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine Vielzahl von Änderungen vorzusehen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung bestimmt sich jedoch aus den nachfolgenden Ansprüchen.
  • Vorstehend wurde ein Halbleitermodul offenbart.
  • Es wird ein Halbleitermodul 100 geschaffen, welches einen ortsfesten Kühler 2, einen verformbaren Kühler 3 und einen flachen Halbleiterbaustein 1 aufweist, wobei der flache Halbleiterbaustein zwischen den Kühlern angeordnet ist. Eine relative die Lage betreffende Beziehung des Halbleiterbausteins ist bezüglich des ortsfesten Kühlers ortsfest aber bezüglich des verformbaren Kühlers veränderlich. Der verformbare Kühler weist ein verformbares Element 31 aus einer dünnen Metallplatte auf, welches eine Kühlmittelkammer 3a bedeckt. Das Halbleitermodul weist eine Einklemmeinrichtung 20 auf, die bewirkt, dass der ortsfeste Kühler in Richtung des verformbaren Kühlers gepresst wird. Befestigungsjustierungsschrauben 201, 202 der Einklemmeinrichtung bewirken, dass sich ein Anpressrahmen 203 einem Kühlkörper 32 des verformbaren Kühlers nähert. Deshalb wird der Halbleiterbaustein über den ortsfesten Kühler gepresst und das verformbare Element leicht verformt. Dies erhöht einen Kontaktierungsgrad zwischen dem Halbleiterbaustein und dem verformbaren Element über ein isolierendes Element 17.

Claims (11)

  1. Zweiseitig kühlendes Halbleitermodul (100), welches aufweist: einen Halbleiterbaustein (1); und einen ersten und einen zweiten Kühler (2, 3), welche den Halbleiterbaustein zwischen sich anordnen, wobei sowohl der erste als auch der zweite Kühler ein Kühlmittel aufweist, gekennzeichnet durch: eine Einklemmeinrichtung (20), welche bewirkt, dass der erste und der zweite Kühler den Halbleiterbaustein fest einklemmen, wobei wenigstens der erste Kühler ein verformbares Element (31) aufweist, das verformbare Element eine erste dem Kühlmittel gegenüberliegende Oberfläche und eine zweite dem Halbleiterbaustein gegenüberliegende Oberfläche aufweist, und das verformbare Element derart verformbar ist, dass es in eine Kühlmittelrichtung oder in eine Halbleiterbausteinrichtung gebogen wird.
  2. Modul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste das verformbare Element aufweisende Kühler ein verformbarer Kühler (3) ist, während der zweite Kühler ein ortsfester Kühler (2) ist, dessen die Lage betreffende Beziehung bezüglich des Halbleiterbausteins ortsfest ist.
  3. Modul (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verformbare Kühler einen eine Kühlmittelkammer (3a) bildenden Kühlkörper (32) aufweist, das verformbare Element aus einer Metallplatte gebildet ist, ein Rand des verformbaren Elements derart an dem Kühlkörper befestigt ist, dass das verformbare Element als eine Abdeckung der Kühlmittelkammer verwendet wird, und ein Verformungsgrad des verformbaren Elements durch einen operativen Zustand der Einklemmeinrichtung gesteuert wird.
  4. Modul (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ein durch Stapelung von Metallplatten (31, 320, 321) gebildetes Metalllaminat aufweist.
  5. Modul (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einklemmeinrichtung aufweist: einen Anpressrahmen (203), welcher an den ortsfesten Kühler angrenzt und diesen in eine Richtung des verformbaren Kühlers presst; und eine Befestigungseinrichtung (201, 202), die den Anpressrahmen an dem verformbaren Kühler befestigt, wobei der Anpressdruck über den Halbleiterbaustein auf das verformbare Element des verformbaren Kühlers ausgeübt wird, während ein Anpressdruck gemäß eines operativen Zustands der Befestigungseinrichtung auf den ortsfesten Kühler ausgeübt wird.
  6. Modul (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühler ein verformbarer Kühler (40) ist, der ein zusätzliches verformbares Element (44), zusätzlich zu dem verformbaren Element (43), und einen eine Kühlmittelkammer (40a) bildenden Kühlkörper (41) aufweist, sowohl das verformbare Element als auch das zusätzliche verformbare Element aus einer Metallplatte gebildet sind, ein Rand des verformbaren Elements derart an dem Kühlkörper befestigt ist, dass das verformbare Element als eine Abdeckung der Kühlmittelkammer verwendet wird, um die Wärme des Halbleiterbausteins aufzunehmen, das zusätzliche verformbare Element derart angeordnet ist, dass es über die Kühlmittelkammer dem verformbaren Element gegenüberliegt und ein Stützelement (42) aufweist, welches innerhalb der Kühlmittelkammer aufwärts in Richtung des verformbaren Elements hervorragt, und die Einklemmeinrichtung das Stützelement derart in eine Richtung von dem zusätzlichen verformbaren Element zu dem verformbaren Elements presst, dass das Stützelement bewirkt, dass das verformbare Element gemäß einer Operation der Einklemmeinrichtung in eine Richtung des Halbleiterbausteins gepresst wird.
  7. Modul (101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einklemmeinrichtung aufweist: ein Basiselement (46), dessen die Lage betreffende Beziehung bezüglich des Kühlkörpers des verformbaren Kühlers ortsfest ist; und eine Anpresseinrichtung (47), welche an dem Basiselement befestigt ist und sowohl in eine Annäherungsrichtung als auch in eine Entfernungsrichtung bezüglich des Stützelements des zusätzlichen verformbaren Elements beweglich ist, wobei ein Bewegungsgrad in Richtung des verformbaren Elements des Stützelements gemäß einem operativen Zustand der Anpresseinrichtung geändert wird, und ein Änderungsgrad in Richtung des Halbleiterbausteins des verformbaren Elements gemäß dem Bewegungsgrad in Richtung des verformbaren Elements des Stützelements geändert wird, das bewirkt, dass das verformbare Element gepresst wird.
  8. Modul (102) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler ein ortsfester Kühler (60) ist, dessen die Lage betreffende Beziehung bezüglich des Halbleiterbausteins ortsfest ist, und der ortsfeste Kühler und das Basiselement (46) derart durch ein Verbindungselement (61) verbunden sind, dass eine die Lage betreffende Beziehung zwischen dem ortsfesten Kühler und dem Basiselement ortsfest ist.
  9. Modul (103) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste als auch der zweite Kühler das verformbare Element (84) aufweisen, um ein verformbarer Kühler (80) zu sein, der verformbare Kühler einen eine Kühlmittelkammer (80a) bildenden Kühlkörper (81) aufweist, das verformbare Element aus einer Metallplatte gebildet ist und ein Rand des verformbaren Elements derart an dem Kühlkörper befestigt ist, dass das verformbare Element als eine Abdeckung der Kühlmittelkammer verwendet wird, und ein Änderungsgrad des verformbaren Elements durch einen operativen Zustand der Einklemmeinrichtung (72, 75) gesteuert wird.
  10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dem Kühlmittel gegenüberliegende Oberfläche des verformbaren Elements eine Kühlrippe (53) aufweist.
  11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einklemmeinrichtung einen Druck des Kühlmittels verwendet.
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