DE102004026061B4

DE102004026061B4 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102004026061B4
Application number: DE102004026061A
Authority: DE
Inventors: Klaus Olesen; Ronald Eisele
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: US7529091B2; WO2005117107A2; WO2005117107A3; US20070210445A1; DE102004026061A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleitern, die auf einer ersten Seite einer Leiterplatte befestigt sind, und einer Kühleinrichtung, die auf eine zweite Seite der Leiterplatte, die der ersten Seite gegenüberliegt, mit einem Kühlmittel wirkt, wobei die Kühleinrichtung mehrere Zellen aufweist, durch die das Kühlmittel geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Zellen (14, 14a, 14b, 15) ein ungekühlter Bereich (d, e, f) angeordnet ist und jede Zelle (14, 14a, 14b, 15) von einer Wand (16, 17) umgeben ist, wobei Wände (16, 17) benachbarter Zellen (14, 15) durch einen Zwischenraum getrennt sind und die Zellen (14, 14a, 14b, 15) untereinander jeweils parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleitern, die auf einer ersten Seite einer Leiterplatte befestigt sind, und einer Kühleinrichtung, die auf eine zweite Seite der Leiterplatte, die der ersten Seite gegenüberliegt, mit einem Kühlmittel wirkt, wobei die Kühleinrichtung mehrere Zellen aufweist, durch die das Kühlmittel geführt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Halbleitermoduls, das auf einer ersten Seite einer Leiterplatte mehrere Leistungshalbleiter aufweist, bei dem man auf eine zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite der Leiterplatte ein Kühlmittel wirken läßt.
Ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus WO 03/095922 A2 bekannt.
Die Kühleinrichtung weist ein Gehäuse auf, das von einer Leiterplatte abgedeckt wird. Im Gehäuse ist ein Einsatz aus Kunststoff angeordnet. Der Einsatz bildet auf seiner der Leiterplatte zugewandten Seite eine Vielzahl von Zellen, von denen jede einen mäanderförmigen Strömungspfad aufweist. Durch diesen Strömungspfad wird das Kühlmittel geleitet. Zellen am linken und am rechten Rand der Leiterplatte sind größer als Zellen in der Mitte, so daß die Kühlwirkung des Kühlmittels hier nicht so groß ist.
US 6 388 317 B1 zeigt eine Kühleinrichtung für einen Leistungshalbleiter, bei der der Leistungshalbleiter auf der Oberseite einer wärmeleitfähigen Platte angebracht wird. Die wärmeleitfähige Platte ihrerseits deckt einen Mikrokanal ab, der unterhalb des Leistungshalbleiters in einem Kühlkörper angeordnet ist. Wenn man mehrere Leistungshalbleiter verwendet, muß man mehrere Kühlkörper mit Abstand zueinander auf einem Träger vorsehen. Wenn weitere Leistungshalbleiter erforderlich sind, kann man mehrere Träger nebeneinander auf einer Basis anordnen.
US 5 978 220 A zeigt eine weitere Kühleinrichtung für eine Leistungshalbleiteranordnung, bei der die Leistungshalbleiter auf einem Gehäuse angeordnet sind, das eine Kühlkammer umschließt, die von einem Kühlmittel durchströmt wird. Unterhalb eines jeden Leistungshalbleiters ragen wärmeleitende Stifte in die Kammer, so daß die Wärme von den Leistungshalbleitern besser an das Kühlmittel abgegeben werden kann.
DE 196 43 717 A1 zeigt eine Flüssigkeits-Kühlvorrichtung für ein Hochleistungshalbleitermodul, das eine Mehrzahl von separat nebeneinander auf einer Kühlfläche angeordneten wärmeerzeugenden Submodulen aufweist. Diese Submodule, beispielsweise Hochleistungs-Halbleiterbauelemente in Chipform, werden von einer Kühlflüssigkeit gekühlt, die in einem Flüssigkeitsraum eines Gehäuses der Vorrichtung fließt und dessen Oberseite die Kühlfläche bildet. Unterhalb der Bereiche, in denen die Submodule auf der Kühlfläche angebracht sind, ragen von der Kühlfläche ausgehend zylindrische, in hexagonaler Symmetrie angeordnete Zapfen in den Flüssigkeitsraum. Die Zapfen sind dabei zu Zapfengruppen zusammengefaßt, wobei jedem Submodul jeweils eine Zapfengruppe zugeordnet ist.
EP 1 599 081 A2 (Stand der Technik nach § 3(2) PatG) offenbart eine Kühleinrichtung für ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren Kammern, die zumindest teilweise seriell von Kühlmittel durchströmt werden.
US 5 841 634 A offenbart eine flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke mit einem Gehäuse, das mehrere Zellen aufweist, die durch Wände voneinander getrennt sind. Jede Zelle weist einen Zulauf und einen Ablauf auf. In den Zellen sind Einsätze angeordnet, die einen bestimmten Flüssigkeitspfad vorgeben.
Leistungshalbleiter erzeugen im Betrieb eine gewisse Verlustwärme, die abgeführt werden muß, um die Leistungshalbleiter thermisch nicht zu überlasten. Mit den oben diskutierten Vorgehensweisen läßt sich die thermische Belastung der Leistungshalbleiter in ausreichendem Maße verringern, so daß eine thermische Schädigung nur noch in seltenen Fällen zu beobachten ist. Allerdings hat sich herausgestellt, daß auch derartige Leistungshalbleitermodule auf Dauer nicht so zuverlässig arbeiten, wie dies wünschenswert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ausfallrisiko bei einem Leistungshalbleitermodul zu vermindern.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen mindestens zwei Zellen ein ungekühlter Bereich angeordnet ist und jede Zelle von einer Wand umgeben ist, wobei Wände benachbarter Zellen durch einen Zwischenraum getrennt sind und die Zellen untereinander jeweils parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.
Mit dieser Ausgestaltung wird zwar die auf das Leistungshalbleitermodul wirkende Kühlleistung des Kühlmittels vermindert. Es ist an und für sich nicht zu erwarten, daß mit einer derartigen Vorgehensweise das Ausfallrisiko vermindert wird. Tatsächlich führt diese Vorgehensweise auch zu einer geringfügigen Erhöhung der mittleren Temperatur des Leistungshalbleitermoduls. Der große Vorteil liegt aber darin, daß die Temperaturverteilung gleichmäßiger wird. Mit anderen Worten wird die Temperaturdifferenz zwischen den heißesten und den kältesten Stellen der Leiterplatte vermindert. Damit werden auch mechanische Spannungen vermindert, die sich aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen ergeben können. Bei derartigen mechanischen Spannungen besteht das Risiko, daß elektrische Leitungen beschädigt werden, die am Leistungshalbleitermodul ausgebildet sind. Diese elektrischen Leitungen können beispielsweise durch Leiterbahnen gebildet sein, die auf die erste Seite der Leiterplatte aufgedruckt oder auf andere Weise aufgebracht sind. Wenn sich hier Temperaturen einstellen, deren Differenz ein vorbestimmtes Maß übersteigt, dann kann dies dazu führen, daß sich derartige Leiterbahnen von der Leiterplatte lösen und schließlich brechen. Ähnliche Gefahren bestehen auch bei Lötverbindungen, die bei einer ungünstigen thermisch-mechanischen Beanspruchung nicht mehr mit ausreichender Zuverlässigkeit arbeiten. Auch wenn hier nicht immer eine vollständige Leitungsunterbrechung auftritt, kann der wirksame Leitungsquerschnitt doch so vermindert werden, daß die normale Funktionsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls nicht mehr gewährleistet ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise führt man nun Wärme dort nicht mehr unmittelbar über das Kühlmittel ab, wo keine Wärme erzeugt wird. Die Wärmeabfuhr beschränkt sich vielmehr sozusagen punktuell auf die Orte, an denen die Wärme produziert wird. Dies sind die Orte, wo die Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte montiert sind. Die dort erzeugte Wärme strahlt natürlich auch in benachbarte Bereiche aus und führt zu einer Temperaturerhöhung in den ungekühlten Bereichen. Da den ungekühlten Bereichen gekühlte Bereiche benachbart sind, in denen aber Wärme erzeugt wird, führt diese Vorgehensweise zu einem gewissen Temperaturausgleich zwischen gekühlten und ungekühlten Bereichen. Die damit verbundene Absenkung von Temperaturdifferenzen führt zu einer entsprechenden Verminderung von mechanischen Spannungen und damit zu einer höheren Zuverlässigkeit beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls und einer längeren Lebensdauer. Die Kühlung kann dabei direkt erfolgen, d. h. das Kühlmittel beaufschlagt die Leiterplatte direkt. Sie kann aber auch indirekt erfolgen, wenn die Leiterplatte auf einem Substrat, einer sogenannten ”Baseplate”, angeordnet ist. In diesem Fall beaufschlagt das Kühlmittel das Substrat und führt Wärme durch das Substrat hindurch ab. Da mindestens zwei benachbarte Zellen von je einer Wand umgrenzt sind, die von der Wand der Nachbarzelle getrennt ist, kann man sicherstellen, daß tatsächlich zwischen einzelnen Zellen ein ungekühlter, d. h. vom Kühlmittel nicht beaufschlagter Bereich, existiert. Konstruktiv läßt sich dies einfach dadurch bewerkstelligen, daß man jede Zelle mit einer Wand umgibt. Die Zellen bilden also beispielsweise jeweils eigene Erhebungen auf einem Träger.
Vorzugsweise weist der ungekühlte Bereich eine Flächenerstreckung auf, die dem 1/10- bis dem 10-fachen der Flächenerstreckung einer dem Bereich benachbarten Zelle entspricht. Diese Aussage ist jeweils entlang einer Richtung zu verstehen, d. h. zwischen benachbarten Zellen ergeben sich ungekühlte Bereiche, deren Länge dem 1/10-fachen bis 10-fachen der Länge der Zelle in diese Richtung entspricht. Man wechselt also Zellen und ungekühlte Bereiche mit etwa der gleichen Größenordnung ab. Dadurch werden relativ gleichmäßige Temperaturen in der Leiterplatte erhalten.
Vorzugsweise ist in jeder Zelle ein Strömungspfad für das Kühlmittel angeordnet, der einen mehrfachen Richtungswechsel des Kühlmittels beim Durchströmen der Zel le bewirkt. Damit erreicht man eine turbulente Strömung, mit der der Wärmeübergang vom Substrat an das Kühlmittel verbessert wird. Vereinfacht ausgedrückt hat praktisch jedes Volumenelement des Kühlmittels die Chance, das Substrat zu berühren. Eine Wärmeleitung innerhalb des Kühlmittels ist daher nur noch beschränkt erforderlich.
Auch ist von Vorteil, wenn der Strömungspfad einen Querschnitt im Bereich von 1 bis 6 mm² aufweist. Auch in diesem Fall kann man eine turbulente Strömung erzeugen. Darüber hinaus wird sichergestellt, daß Kühlmittel in einem ausreichenden Maße durch die Zellen strömen kann.
Vorzugsweise weist ein Substrat für mindestens eine Zelle eine Ausnehmung auf, die die Zelle aufnimmt. Man kann dann die geschilderten Erhebungen in das Substrat einfügen. Zwischen den Zellen existiert dann Substrat, das nicht von Kühlmittel beaufschlagt wird.
Vorzugsweise sind die Zellen auf einer Seite eines Trägers aus nicht wärmeleitendem Material ausgebildet und das Kühlmittel wird auf der anderen Seite des Trägers zugeführt, wobei der Träger in dem ungekühlten Bereich die Leiterplatte vom Kühlmittel thermisch isoliert. Der Begriff der thermischen Isolierung ist hier funktional zu verstehen. Man wird in der Praxis nicht vermeiden können, daß ein gewisser Wärmefluß auch durch den Träger hindurch erfolgt. Man verhindert aber, daß das Kühlmittel unmittelbar an das Substrat oder die Leiter platte gelangt und dort Wärme abführt. Der Träger trägt also mit dazu bei, die Temperatur des Substrats zu vergleichmäßigen.
Vorzugsweise erzeugt das Kühlmittel bei mindestens einer Zelle eine gleichförmige Temperatur auf der ersten Seite der Leiterplatte. Man leitet also das Kühlmittel so durch die Zelle, daß sich ein Temperaturplateau ergibt, in dem eine gleichförmige Temperatur herrscht. In Abhängigkeit von der vom Leistungshalbleiter erzeugten Wärme kann dies bedeuten, daß an bestimmten Stellen das Kühlmittel mit einem größeren Volumen oder auf andere Weise schneller durch die Zelle strömt.
Vorzugsweise sind mehrere Zellen entsprechend einem Verlauf von Isothermen des ungekühlten Moduls angeordnet. Man ermittelt also zunächst Isothermen des ungekühlten Moduls. Diese Isothermen lassen sich durch Messung ermitteln. Man kann sie aber auch im voraus numerisch oder analytisch errechnen. Wenn man nun die Zellen so anordnet, daß sie jeweils von Isothermen umgrenzte Bereiche unterschiedlich stark kühlen, dann ergibt sich eine außerordentlich gleichförmige Temperaturverteilung. Gewisse Temperaturunterschiede werden sich zwar nicht beseitigen lassen. Diese sind aber durchaus zulässig, solange sie ein vorbestimmtes Maß nicht überschreiten.
Vorzugsweise verdampft das Kühlmittel beim Kühlen. Man kann zwar gasförmige oder auch flüssige Kühlmittel verwenden. Wenn man jedoch ein Kühlmittel wählt, dessen Verdampfungstemperatur in dem Bereich liegt, der von den Leistungshalbleitern erzeugt wird, dann wird durch das Verdampfen eine besonders große Wärmemenge abgeführt.
Vorzugsweise weisen benachbarte Zellen gegenläufige Kühlmittelpfade auf. Mit anderen Worten sind beispielsweise die Kühlmitteleingänge von benachbarten Zellen ebenfalls benachbart, d. h. an den einander zu weisenden Seiten der Zellen angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Temperaturverteilung weiter zu vergleichmäßigen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man eine Temperaturverteilung des ungekühlten Leistungshalbleitermoduls ermittelt und Bereiche mit einer Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Temperaturwerts aus der Temperaturverteilung von der Beaufschlagung mit Kühlmittel ausnimmt und man das Kühlmittel durch voneinander beabstandete Zellen leitet, wobei die Zellen untereinander parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.
Die Temperaturverteilung kann man, wie oben ausgeführt, durch Messen eines ungekühlten Leistungshalbleitermoduls ermitteln. Man kann sie aber auch errechnen, beispielsweise unter Verwendung von Finite-Elemente-Verfahren oder Finite-Differenzen-Verfahren. Auch eine analytische Berechnung wäre möglich. Die Temperaturverteilung ist das Ergebnis einer Wärmezufuhr und -abfuhr. Man verschiebt nun die Schwerpunkte der Abfuhr und läßt Bereiche, in denen eine Wärmezufuhr nicht erfolgt, ungekühlt. Dort wird sich dann zwar eine gewisse Temperaturerhöhung einstellen, weil auch die ungekühlten Bereiche von den Wärmequellen beaufschlagt werden, beispielsweise durch Wärmestrahlung oder Wärmeleitung. Ei ne gewisse Temperaturerhöhung des Leistungshalbleitermoduls insgesamt ist aber akzeptabel, wenn man gleichzeitig damit die Temperaturunterschiede über das Modul vermindern kann. Man leitet das Kühlmittel durch voneinander beabstandete Zellen. Dies ist eine relativ einfache Ausgestaltung, um bestimmte Bereiche der Leiterplatte und/oder des Substrats von der Kühlung, d. h. der Beaufschlagung mit Kühlmittel, auszunehmen.
Vorzugsweise ermittelt man Isothermen und richtet die Beaufschlagung mit Kühlmittel entlang der Isothermen aus. Isothermen sind Kurven gleicher Temperatur. Man kann dann beispielsweise ein Gebiet, das von einer Kurve eingeschlossen ist, die eine höhere Temperatur widerspiegelt, stärker kühlen, also mit mehr Kühlmittel beaufschlagen, als ein Gebiet, das von einer Kurve umschlossen ist, die eine niedrigere Temperatur widerspiegelt. Natürlich muß die Beaufschlagung mit Kühlmittel nicht exakt an derartigen Isothermen ausgerichtet sein. Die Isotherme geben aber eine gute Orientierung dafür, wo eine erhöhte Beaufschlagung mit Kühlmittel günstig ist und wo man besser auf eine Beaufschlagung mit Kühlmittel verzichtet, um einen Temperaturausgleich über das Substrat zu erreichen.
Vorzugsweise verwendet man zum Beaufschlagen der zweiten Seite eine turbulente Strömung des Kühlmittels. Damit wird die Wärmeabfuhr verbessert, auch wenn eine Wärmeleitung innerhalb des Kühlmittels nicht oder nur beschränkt vorhanden ist.
Auch ist von Vorteil, wenn man das Kühlmittel gegenläufig durch einander benachbarte Zellen leitet. In Berei chen, wo man das Kühlmittel einspeist, wird sich eine erhöhte Kühlwirkung einstellen, die in der Regel mit einer etwas stärkeren Temperaturabsenkung verbunden ist. Auf diese Weise erreicht man, daß die Temperaturgradienten klein gehalten werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Leistungshalbleitermoduls,
1b einen Temperaturverlauf entlang einer Linie T-T nach 1 ohne weitere Maßnahmen,
2 den Temperaturverlauf nach 1b bei Anwendung einer Ausgestaltung nach WO 03/095922 A2 ,
3 den Temperaturverlauf nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 den Verlauf von Isothermen bei einer Leiterplatte mit Leistungshalbleiter mit herkömmlicher Kühlung,
5 den Verlauf der Isothermen bei der Leiterplatte nach 4 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Darstellung eines Substrats,
7 eine Draufsicht auf eine Kühleinrichtung und
8 eine Ansicht der Unterseite der Kühleinrichtung nach 7.
1a zeigt ein Leistungshalbleitermodul 1 mit drei Leistungshalbleitern A, B, C, die mit nicht näher dargestellten elektrischen Leitungen verbunden sind.
Die Leistungshalbleiter A–C sind jeweils auf einer Leiterplatte 26 angeordnet. Die Leiterplatte kann beispielsweise als DCB-Substrat (Direct Copper Bonding-Substrat, z. B. Kupfer-Keramik-Kupfer) ausgebildet sein. Andere Ausbildungen für die Leiterplatte sind möglich. In der Regel ist eine derartige Leiterplatte nur beschränkt wärmeleitfähig. Allerdings wird Wärme, die von den Leistungshalbleitern A–C als Verlustwärme produziert wird, die Leiterplatte durchdringen. Die Leiterplatten 26 sind wiederum auf einem Substrat 2 aufgebracht. Dieses Substrat 2, typisch auch ”Baseplate” genannt, besteht in der Regel aus Kupfer und ist somit gut wärmeleitend.
Das Substrat 2 ist auf einer Kühleinrichtung 3 angeordnet, die einen Kühlmittelzufluß 4 und einen Kühlmittelabfluß 5 aufweist. Das Kühlmittel kann die Kühleinrichtung 3 also (bezogen auf die Darstellung der 1a) von links nach rechts durchströmen.
Jeder Leistungshalbleiter erzeugt im Betrieb, wie oben erwähnt, eine gewisse Verlustleistung, die in Form von Wärme abgegeben wird und zu einer Temperaturerhöhung führt. Da ein gewisser Teil der Wärme durch das Kühl mittel abgefördert wird, ergibt sich ohne weitere Maßnahmen am Substrat 2 ein Temperaturverlauf, wie er in 1b dargestellt ist. Die Temperatur T ist hierbei nach oben aufgetragen. An den Orten, wo die Leistungshalbleiter A–C angeordnet sind, ergibt sich jeweils ein Temperaturmaximum. Die mittlere Temperatur steigt zwischen dem Kühlmittelzufluß 4 und dem Kühlmittelabfluß 5 an, weil jeder Leistungshalbleiter A–C die Temperatur des Kühlmittels erhöht.
Wenn man nun eine Kühleinrichtung verwendet, wie sie beispielsweise aus WO 03/095922 A2 bekannt ist, dann ergibt sich ein Verlauf, wie er schematisch in 2 dargestellt ist. Auch hier ist im Bereich jedes Leistungshalbleiters A–C ein Maximum zu beobachten. Dazwischen hat der Temperaturverlauf jeweils ein Minimum. Zwischen dem Maximum und dem Minimum ergibt sich eine Temperaturdifferenz D1. Diese Temperaturdifferenz ist größer als eine entsprechende Temperaturdifferenz in 1b. Allerdings ist die Temperatur insgesamt niedriger, so daß die thermische Beanspruchung der Leistungshalbleiter A–C geringer bleibt.
3 zeigt nun den entsprechenden Temperaturverlauf, wie er mit der weiter unten erläuterten Vorgehensweise erzielt wird. Zwischen dem Maximum und dem Minimum der Temperatur ergibt sich eine Differenz D2, die wesentlich geringer ist als die Temperaturdifferenz D1 nach 2. Zusätzlich ist erkennbar, daß es keine ausgeprägten Maxima der Temperaturkurve gibt, sondern die Temperaturkurve im Bereich ihrer Höchstwerte Abplattungen aufweist.
Die Darstellungen in den 1b, 2 und 3 sind nicht maßstäblich, sondern sie dienen lediglich der Erläuterung. Wenn man das Temperaturniveau des ersten Maximums der Temperaturkurve nach 1b zu 1 ansetzt (100%), dann liegt das Temperaturniveau des ersten Maximums der Temperaturkurve nach 2 bei 0,6 (60%) und das Temperaturniveau des Maximums der Kurve nach 3 bei 0,8 (80%). Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergibt sich also insgesamt eine Temperaturerhöhung, die aber tolerierbar ist, weil die Temperaturdifferenz D2 beträchtlich kleiner ist als die Temperaturdifferenz D1. D2 beträgt beispielsweise nur 20 bis 30% von D1.
4 zeigt eine andere Leiterplatte 26 mit zwei IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor) 6, 7 und zwei Dioden 8, 9. Dargestellt sind Isothermen 10, die sich bei einer Kühlung nach WO 03/095922 A2 oder einer entsprechenden Kühlung ergeben. Es ist erkennbar, daß die Isothermen relativ dicht beieinander liegen. Dies läßt auf einen relativ steilen Temperaturgradienten schließen, d. h. der Unterschied zwischen den höchsten vorkommenden Temperaturen und den niedrigsten vorkommenden Temperaturen ist relativ groß. Er beträgt beispielsweise 10 K.
5 zeigt nun die gleiche Ausgestaltung mit Isothermen, wenn man die nachfolgend beschriebene Kühlung verwendet. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß die Isothermen 10 einen wesentlich größeren Abstand zueinander aufweisen. Dementsprechend sinkt die Temperaturdifferenz über die Leiterplatte beispielsweise auf 3 K im Bereich der Leistungstransistoren, d. h. der IGBT 6, 7, und auf 2 K im Bereich der Dioden 8, 9. Auch die Tempe raturdifferenz über das Substrat 2 wird dadurch vermindert.
Erreicht wird dies dadurch, daß man eine Kühlung durch das Kühlmittel nur noch unmittelbar im Bereich der Leistungshalbleiter A, B, C vornimmt. Zwischen den Leistungshalbleitern A–C und um die Leistungshalbleiter herum verbleiben Bereiche d, e, f, g, h, in denen eine Beaufschlagung des Substrats 2 mit Kühlmittel unterbleibt. Auch in den Bereichen der Leiterplatte 26 zwischen den Leistungshalbleitern 6 und 8 sind nicht gekühlte Bereiche vorhanden. In diesen Bereichen wird dementsprechend verhindert, daß die erzeugte Wärme unmittelbar an das Kühlmittel abgegeben werden kann. Wie im Zusammenhang mit 3 erläutert worden ist, führt dies dazu, daß die Temperatur des Substrats 2 und der Leiterplatte 26 zwar im Mittel ansteigt. Diese Temperaturerhöhung ist aber unkritisch, weil die zulässige Betriebstemperatur der Leistungshalbleiter A–C nicht überschritten wird. Dafür wird aber die Temperaturdifferenz zwischen ”heißen” und ”kalten” Bereichen ganz erheblich vermindert. Diese Verminderung der thermischen Unterschiede führt zu einer deutlichen Verminderung von mechanischen Spannungen. Die Verminderung der mechanischen Spannungen wiederum vermindert das Risiko, daß sich mechanische Beschädigungen an Leitungen oder ähnlichem ergeben, die auf der Leiterplatte 26 angeordnet sind und zur Versorgung der Leistungshalbleiter A–C oder zur Leitung von Strömen und Spannungen dienen, die von den Leistungshalbleitern A–C gesteuert werden.
Die 6 bis 8 zeigen nun eine praktische Ausführungsform. 6 zeigt dabei das Substrat 2 von oben.
Gestrichelt dargestellt sind die Leiterplatten 26, die auf der anderen Seite des Substrats 2 angeordnet werden. Bereiche 11, 12 sind schematisch dargestellt. Dort befinden sich die IGBTs 6, 7 und die Dioden 8, 9. Natürlich sind auch andere Anordnungen, z. B. wie in den 4 und 5, möglich. Dargestellt ist ein Substrat 2 für ein Leistungshalbleitermodul, das eine dreiphasige Wechselrichterschaltung aufnehmen soll, bei der pro Phase zwei IGBTs und zwei Dioden vorgesehen sind. Somit werden insgesamt drei Leiterplatten 26 auf dem Substrat 2 angeordnet.
In den Bereichen 11, 12 weist das Substrat entweder durchgehende Öffnungen auf oder das Substrat 2 weist in diesen Bereichen 11, 12 Ausnehmungen auf, die fast durchgehen, so daß die Bereiche 11, 12 noch von einer Schicht abgedeckt sind. In diesem Fall wird Kühlmittel, das von oben, also in den Ausnehmungen zugeführt wird, nicht unmittelbar in Kontakt kommen mit den entsprechenden Seiten der Leiterplatten 26, die auf das Substrat 2 montiert worden sind.
7 zeigt nun eine Kühleinrichtung 3 in Draufsicht. Die Kühleinrichtung 3 weist einen Träger 13 aus Kunststoff auf. Der Kunststoff ist schlecht wärmeleitfähig, d. h. er bildet eine Art thermischen Isolator. Auf dem Träger 13 sind mehrere Zellen 14, 15 angeordnet. Jede Zelle ist von einer auf dem Träger 13 senkrecht stehenden Wand 16, 17 umgeben, wobei Wände benachbarter Zellen 14, 15 durch einen Zwischenraum 18, 19 getrennt sind.
Wenn man nun den Träger 13 in die Unterseite des Substrats 2 (diese Seite ist nicht in 6 erkennbar) einsetzt, dann passen die Wände 16, 17 genau in die Ausnehmungen der Bereiche 11, 12, so daß Kühlmittel, das in den Zellen 14, 15 angeordnet ist und diese Zellen durchströmt, nur die Bereiche 11, 12 kontaktiert, nicht jedoch dazwischen liegende Bereiche d, e, f oder außen liegende Bereiche g, h.
Jede Zelle 14 weist einen Einlaß 20 und einen Auslaß 21 auf. Einlaß 20 und Auslaß 21 sind durch den Träger 13 hindurchgeführt. Auf der Unterseite des Trägers 13 sind sie durch eine Wand 22 voneinander getrennt, so daß auf der Unterseite des Trägers 13 der Kühlmittelzufluß 4 und der Kühlmittelabfluß 5 angeordnet sein können.
In ähnlicher Weise weisen die Zellen 15 einen Einlaß 23 und einen Auslaß 24 auf.
Die Zellen 14 weisen eine Wandstruktur 25 auf, die so ausgebildet ist, daß das vom Einlaß 20 zum Auslaß 21 strömende Kältemittel mehrere Kurven durchströmen muß. Die Wandstruktur 25 bildet also eine Art Mäander. Bereits diese Maßnahme sorgt dafür, daß die Strömung zwischen dem Einlaß 20 und dem Auslaß 21 turbulent ist. Darüber hinaus ist der Strömungsquerschnitt hier vergleichsweise groß. Er liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 6 mm². Auch dies trägt dazu bei, daß sich eine turbulente Strömung ergibt.
Bei zwei einander benachbarten Zellen 14a, 14b liegen die Einlässe 20a, 20b jeweils einander gegenüber. Gleiches gilt für die Auslässe 21a, 21b. Dies hat zur Fol ge, daß die Zellen 14a, 14b gegenläufig durchströmt werden, so daß Temperaturunterschiede klein gehalten werden können. Das Kühlmittel hat dort, wo die beiden Zellen 14a, 14b ihren kleinsten Abstand zueinander aufweisen, im wesentlichen die gleiche Temperatur.
Im Ausführungsbeispiel, das in den 6 bis 8 dargestellt worden ist, gibt es praktisch für jeden Leistungshalbleiter eine Zelle 14, 15. Man kann jedoch noch weiter gehen und die Zellen verkleinern, so daß sie eine Art ”Digits” bilden. Man kann nun diese Digits an den Isothermen, die beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt sind, ausrichten und dafür sorgen, daß die heißeren Bereiche stärker gekühlt werden als die nicht so heißen Bereiche. Wenn man zusätzlich dafür sorgt, daß man Bereiche von der Beaufschlagung mit Kühlmittel ausnimmt, diese Bereiche also nicht so gut gekühlt werden, dann erreicht man eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung am Substrat.
Auch in einem derartigen Fall kann man einen Träger 13 verwenden, auf dem die einzelnen Zellen 14, 15 angeordnet sind. Der Träger 13 verhindert dann nicht nur die Beaufschlagung des Substrats mit dem Kühlmittel an den nicht gekühlten Bereichen, sondern er vermindert auch einen größeren Wärmestrom vom Substrat zu dem Kühlmittel.

Claims

Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleitern, die auf einer ersten Seite einer Leiterplatte befestigt sind, und einer Kühleinrichtung, die auf eine zweite Seite der Leiterplatte, die der ersten Seite gegenüberliegt, mit einem Kühlmittel wirkt, wobei die Kühleinrichtung mehrere Zellen aufweist, durch die das Kühlmittel geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Zellen (14, 14a, 14b, 15) ein ungekühlter Bereich (d, e, f) angeordnet ist und jede Zelle (14, 14a, 14b, 15) von einer Wand (16, 17) umgeben ist, wobei Wände (16, 17) benachbarter Zellen (14, 15) durch einen Zwischenraum getrennt sind und die Zellen (14, 14a, 14b, 15) untereinander jeweils parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ungekühlte Bereich (d, e, f) eine Flächenerstreckung aufweist, die dem 1/10- bis dem 10-fachen der Flächenerstreckung einer dem Bereich (d, e, f) benachbarten Zelle (14, 15) entspricht.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zelle (14, 14a, 14b, 15) ein Strömungspfad für das Kühlmittel angeordnet ist, der einen mehrfachen Richtungswechsel des Kühlmittels beim Durchströmen der Zelle (14, 14a, 14b, 15) bewirkt.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad einen Querschnitt im Bereich von 1 bis 6 mm² aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (2) für mindestens eine Zelle (14, 15) eine Ausnehmung (11, 12) aufweist, die die Zelle (14, 15) aufnimmt.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (14, 15) auf einer Seite eines Trägers (13) aus nicht wärmeleitendem Material ausgebildet sind und das Kühlmittel auf der anderen Seite des Trägers (13) zugeführt wird, wobei der Träger (13) in dem ungekühlten Bereich (d, e, f) die Leiterplatte (26) vom Kühlmittel thermisch isoliert.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zellen (14, 15) entsprechend einem Verlauf von Isothermen des ungekühlten Moduls angeordnet sind.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel beim Kühlen verdampft.
Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zellen (14a, 14b) gegenläufige Kühlmittelpfade aufweisen.
Verfahren zum Kühlen eines Leistungshalbleitermoduls, das auf einer ersten Seite einer Leiterplatte mehrere Leistungshalbleiter aufweist, bei dem man auf eine zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite der Leiterplatte ein Kühlmittel wirken lässt, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Temperaturverteilung des ungekühlten Leistungshalbleitermoduls (1) ermittelt und Bereiche (d, e, f) mit einer Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Temperaturwerts aus der Temperaturverteilung von der Beaufschlagung mit Kühlmittel ausnimmt und man das Kühlmittel durch voneinander beabstandete Zellen (14, 15, 14a, 14b) leitet, wobei die Zellen untereinander parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man Isothermen (10) ermittelt und die Beaufschlagung mit Kühlmittel entlang der Isothermen ausrichtet.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Beaufschlagen der zwei ten Seite eine turbulente Strömung des Kühlmittels verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kühlmittel gegenläufig durch einander benachbarte Zellen (14a, 14b) leitet.