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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul.
Leistungshalbleitermodule enthalten wenigstens einen Leistungshalbleiterchip,
der beim Betrieb des Moduls Verlustwärme erzeugen. Zu Ihrer elektrischen
Kontaktierung weisen solche Module weiterhin möglichst niederohmige Anschlusselemente
auf, die elektrisch leitend mit einem oder mehreren Halbleiterchips
verbunden sind. Beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls kann
es zu einer nicht unerheblichen Erwärmung eines solchen Anschlusselementes
und damit einhergehend zu einer nicht unerheblichen Erwärmung eines
an den Anschlusselement angeschlossenen elektrischen Bauteils, beispielsweise
eines Kondensators oder eines weiteren Leistungshalbleitermoduls,
kommen. Eine solche Erwärmung
kann zu einer Beschädigung,
einer Zerstörung
oder zumindest zu einer Verringerung der Lebensdauer des elektrischen
Bauteils führen.
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Eine
Ursache für
die Erwärmung
eines solchen Anschlusselementes besteht in einem Wärmefluss,
der sich ausgehend von dem wenigstens einen elektrisch mit dem Anschlusselement
verbundenen Leistungshalbleiterchip in Richtung des Anschlusselementes
einstellt. Eine weitere Ursache ist die in dem Anschlusselement
selbst erzeugte Verlustleistung, die aus dem elektrischen Widerstand
des Anschlusselementes selbst resultiert. Diese Verlustleistung
ergibt sich aus dem Produkt des elektrischen Widerstandes des Anschlusselementes
und dem Quadrat des das Anschlusselement durchfließenden Stromes.
Mit solchen Leistungshalbleitermodulen werden meist hohe Ströme geschaltet,
die mehrere 100 A betragen können,
so dass es in dem Anschlusselement, auch wenn es einen sehr geringen
elektrischen Widerstand aufweist, zu einer hohen Verlustleistung
kommen kann.
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Die
DE 10 2006 008 807
A1 beschreibt eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul,
das Außenanschlüsse aufweist,
die sich vom Inneren des Moduls durch einen Gehäuserahmen des Moduls auf die
Modulaußenseite
erstrecken. Die Außenanschlüsse sind
im Modulinneren mit einer Metallisierung eines Substrates und außerhalb
des Moduls mit einer Leiterplatte verbunden.
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Aus
der
JP 04-088 660
A ist es bekannt, ein Halbleiterelement mit Anschlussleitern
an einer Leiterplatte anzuschließen. Eine anisotrop wärmeleitende
Platte ist mit den Anschlussleitern thermisch gekoppelt, aber mittels
einer Aluminiumoxidschicht gegenüber
diesen Anschlussleitern elektrisch isoliert. Mit dem wärmeleitenden
Bogen wird die im Bereich der Anschlussleiter entstehende Wärme in Richtung eines
Kühlkörpers abgeführt.
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In
der
US 2007/0
176 277 A1 ist eine Anordnung mit einer zwischen zwei Halbleiterchips
angeordneten, thermisch leitenden Schicht bekannt. Die Schicht enthält anisotrop
wärmeleitende
Teilchen, deren Wärmeleitfähigkeit
senkrecht zur Schicht kleiner ist als in Richtung der Schicht.
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Aus
der
US 6 407 922 B1 ist
ein anisotropes Wärmespreizelement
bekannt, das ein Matrixmaterial mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Graphitflocken
enthält.
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Die
US 4 878 152 A beschreibt
eine Leiterplatte mit einem Kern aus gepresstem Graphit, dessen
Wärmeleitfähigkeit
senkrecht zur Leiterplatte geringer ist als in Richtung der Leiterplatte.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleitermodulanordnung bereitzustellen,
bei der eine Überhitzung
einer an ein solches Anschlusselement eines Leistungshalbleitermoduls
angeschlossenen Komponente vermieden wird. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung beseht darin, eine Anschlusseinheit bereitzustellen,
mit der ein Anschlusselement eines Leistungshalbleitermoduls elektrisch
leitend mit einer elektrischen Komponente verbunden werden kann.
Diese Aufgaben werden durch Leistungshalbleitermodulanordnungen
gemäß den Patentansprüchen 1,
17, 22 und 33 sowie durch eine Anschlusseinheit gemäß Patentanspruch
26 gelöst.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitermodulanordnung,
die ein Leistungshalbleitermodul mit einem Lastanschluss und einem
Leistungshalbleiterchip umfasst, sowie einen elektrisch und thermisch
leitenden Anschlussleiter, der elektrisch leitend mit dem Lastanschluss
und mit dem Leistungshalbleiterchip verbunden ist, und einen Kühlkörper. Außerdem ist
ein anisotrop wärmeleitendes
Wärmeableitelement
vorgesehen, das eine erste Kontaktfläche aufweist, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt
ist, eine zweite Kontaktfläche, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter gekoppelt ist, sowie eine dritte
Kontaktfläche, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter gekoppelt ist. Außerdem besitzt
das Wärmeableitelement einen
ersten Wärmewiderstand
zwischen der dritten Kontaktfläche
und der ersten Kontaktfläche,
sowie einen zweiten Wärmewiderstand
zwischen der dritten Kontaktfläche
und der zweiten Kontaktfläche,
der größer ist
als der erste Wärmewiderstand.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitermodulanordnung,
die ein Leistungshalbleitermodul mit einem Lastanschluss und einem
Leistungshalbleiterchip umfasst, sowie einen elektrisch und thermisch
leitenden An schlussleiter, der elektrisch leitend mit dem Lastanschluss
und mit dem Leistungshalbleiterchip verbunden ist, sowie einen Kühlkörper. Weiterhin
ist ein anisotrop wärmeleitendes
Wärmeableitelement
vorgesehen, das eine erste Kontaktfläche aufweist, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt
ist, und eine zweite Kontaktfläche, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter gekoppelt ist, wobei die zweite
Kontaktfläche
kleiner ist als die erste Kontaktfläche.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitermodulanordnung,
die ein Leistungshalbleitermodul mit einem Lastanschluss und einem
Leistungshalbleiterchip umfasst, sowie einen elektrisch und thermisch
leitenden Anschlussleiter, der elektrisch leitend mit dem Lastanschluss
und mit dem Leistungshalbleiterchip verbunden ist, sowie einen Kühlkörper. Weiterhin
ist ein anisotrop wärmeleitendes
Wärmeableitelement
vorgesehen, das eine erste Kontaktfläche aufweist, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt
ist, eine zweite Kontaktfläche, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter gekoppelt ist, sowie eine dritte
Kontaktfläche, über die
es thermisch mit dem Lastanschluss gekoppelt ist. An zumindest einer
Stelle der zweiten Kontaktfläche
besitzt das Wärmeableitelement
in Richtung der Normalen n der zweiten Kontaktfläche eine zweite Wärmeleitfähigkeit,
die kleiner ist als eine erste Wärmeleitfähigkeit,
die es an dieser Stelle in einer zur Richtung der Normalen senkrechten
Richtung (t) aufweist.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anschlusseinheit zum
Anschließen
einer externen Komponente an ein Leistungshalbleitermodul. In dieser
Anschlusseinheit sind in einer ersten Richtung ein elektrisch und
thermisch leitender erster Anschlussleiter, ein anisotrop wärmeleitendes
erstes Wärmeableitelement,
Isolatorschicht, ein anisotrop wärmeleitendes
zweites Wärmeableitelement,
sowie ein elektrisch und thermisch leitender zweiter Anschlussleiter
aufeinander folgend angeordnet.
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Ein
fünfter
Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitermodulanordnung
mit einem Leistungshalbleitermodul, das einen ersten Lastanschluss
und einen zweiten Lastanschluss aufweist, sowie mit einer gemäß dem vierten
Aspekt der Erfindung ausgebildeten Anschlusseinheit. Bei dieser Leistungshalbleitermodulanordnung
ist der erste Lastanschluss elektrisch leitend mit dem ersten Anschlussleiter
und der zweite Lastanschluss elektrisch leitend mit dem zweiten
Anschlussleiter verbunden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt einer Leistungshalbleitermodulanordnung,
bei dem ein Anschlusselement mittels eines anisotrop wärmeleitenden
Wärmeableitelementes
entwärmt wird;
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1B einen
Vertikalschnitt durch das in 1A gezeigte
Wärmeableitelement,
in dem schematisch Wärmewiderstände zwischen
verschiedenen Kontaktflächen
des Wärmeableitelementes
dargestellt sind;
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1C einen
Vertikalschnitt durch das in den 1A und 1B gezeigte
Wärmeableitelement,
in dem qualitativ die Wärmeströme dargestellt sind,
die aus den in 1B gezeigten Wärmewiderständen resultieren;
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2 einen
Querschnitt durch ein ebenes, anisotrop wärmeleitendes Wärmeableitelement;
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3 einen
Querschnitt durch das anisotrop wärmeleitende Wärmeableitelement
gemäß 2 mit
richtungsabhängig
unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten;
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4 einen
Querschnitt durch ein gebogenes, anisotrop wärmeleitendes Wärmeableitelement;
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5 einen
Querschnitt durch ein ebenes, anisotrop wärmeleitendes Wärmeableitelement
gemäß 2 mit
einem möglichen
Verlauf eines ersten Pfades;
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6 einen
Querschnitt durch das Wärmeableitelement
gemäß 5 in
dem Pfade mit maximaler und minimaler Wärmeleitfähigkeit dargestellt sind;
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7 einen
Querschnitt durch einen Abschnitt einer Leistungshalbleitermodulanordnung,
in dem kürzestmögliche,
innerhalb eines Wärmeableitelementes
verlaufende Pfade von einem Lastanschluss zu einem Anschlussleiter
bzw. von dem Lastanschluss zu einem Kühlkörper dargestellt sind;
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8 einen
Querschnitt durch einen Abschnitt einer Leistungshalbleitermodulanordnung,
in dem kürzestmögliche,
innerhalb eines gekrümmten Wärmeableitelementes
verlaufende Pfade von einem Lastanschluss zu einem Anschlussleiter
bzw. von dem Lastanschluss zu einem Kühlkörper dargestellt sind;
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9 eine
Seitenansicht einer Leistungshalbleitermodulanordnung mit zwei Lastanschlüssen, an
die mittels einer Anschlusseinheit, die zwei Anschlussleiter aufweist,
eine weitere elektrische Komponente angeschlossen ist; und
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10 einen
Querschnitt durch einen Abschnitt einer Leistungshalbleitermodulanordnung
mit einem flexiblen Wärmeableitelement,
das thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt
ist, der auf der dem Leistungshalbleiteiterchip abgewandten Seite
einer Boden platte des Leistungshalbleitermoduls angeordnet und thermisch
mit dieser gekoppelt ist.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleicher oder mit
entsprechender Funktion. Sofern nicht ausdrücklich erwähnt sind die Figuren aus Gründen der besseren
Darstellbarkeit nicht maßstabsgerecht.
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1A zeigt
einen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Leistungshalbleitermodulanordnung mit
einem Leistungshalbleitermodul 10. Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst
einen Leistungshalbleiterchip 14 mit einem Halbleiterkörper 14a,
der auf einander gegenüberliegenden
Seiten Metallisierungen 14b, 14c aufweist. Die
oberseitige Metallisierung 14b und die unterseitige Metallisierung 14c sind Leistungsanschlüsse des
Leistungshalbleiterchips 14, beispielsweise Drain und Source,
oder Emitter und Kollektor, oder Anode und Kathode. Bei dem Leistungshalbleiterchip 14 kann
es sich um eine Diode, einen Feldeffekttransistor wie z. B. einen
MOSFET oder einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), einen
IGBT, einen Thyristor, einen Triac, oder um ein beliebiges anderes
Leistungshalbleiterbauelement handeln. Bei dem Leistungshalbleiterchip 14 gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
handelt es sich um ein vertikales Bauelement. Ebenso könnte der
Leistungshalbleiterchip 14 jedoch auch als laterales Bauelement
ausgebildet sein, bei dem sich die Leistungsanschlüsse mit
ihren Metallisierungen 14b und 14c auf derselben
Seite des Halbleiterkörpers 14a befinden.
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Der
Leistungshalbleiterchip 14 ist auf einem Schaltungsträger 13 angeordnet
und mittels dieses Schaltungsträgers 13 elektrisch
leitend mit einem Anschlusselement 16 des Leistungshalbleitermoduls 10 verbunden.
Der Schaltungsträger 13 umfasst
einen Isolierträger 13a,
der z. B. als Keramikplättchen
ausgebildet sein kann. Als Keramiken eignen sich beispielsweise
Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si3N4).
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Der
Isolierträger 13a weist
eine oberseitige Metallisierung 13b und eine optionale
unterseitige Metallisierung 13c auf. Zumindest die oberseitige Metallisierung 13b kann
zur Ausbildung einer Leiterbahnstruktur zu Leiterbahnen und/oder
zu Leiterflächen
strukturiert sein. Die optionale unterseitige Metallisierung 13c kann
entweder als durchgehende, zusammenhängende Schicht ausgebildet
oder aber ebenfalls zu Leiterbahnen und/oder zu Leiterflächen strukturiert
sein.
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Die
oberseitige Metallisierung 13b des Schaltungsträgers 13 dient
dazu, den Leistungshalbleiterchip 14 elektrisch mit anderen
Komponenten des Leistungshalbleitermoduls 10 zu verschalten. Auf
der dem Schaltungsträger 13 abgewandten
Seite erfolgt der elektrische Anschluss des Leistungshalbleiterchips 14 mittels
wenigstens eines Bonddrahtes 15. Anstelle eines Bonddrahtes
kann auch eine Metalllasche vorgesehen sein, die fest und elektrisch
leitend mit einer oberseitigen Metallisierung 14b des Leistungshalbleiterchips 14a verbunden
ist. Außerdem
kann eine oberseitige elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips 14a auch
mittels eines Druckstempels erfolgen, der gegen eine oberseitige Metallisierung 14b des
Leistungshalbleiterchips 14a gepresst wird (Druckkontaktierung).
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Als
Schaltungsträger 13 eignen
sich auch DCB-Substrate (DCB = direct copper bonding), bei denen
die oberseitige Metallisierung 13b und die optionale unterseitige
Metallisierung 13c ganz oder zumindest überwiegend aus Kupfer bestehen
und unmittelbar mit einem Isolierträger 13a aus Aluminiumoxid-Keramik verbunden
sind. Alternativ dazu kann ein Schaltungsträger 13 auch AMB-Substrat
(AMD = active metal brazing) ausgebildet sein.
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Das
Leistungshalbleitermodul 10 umfasst weiterhin eine optionale
Bodenplatte 11, sowie einen Gehäuserahmen 12. Die
Bodenplatte 11 und der Gehäuserahmen 12 bilden
zusammen ein Gehäuse,
in dem der Leistungshalbleiterchip 14 sowie weitere opti onale
Elektronikkomponenten angeordnet sind. Zur Kühlung des Leistungshalbleitermoduls 10 kann
ein Kühlkörper 20 vorgesehen
sein, der die Bodenplatte 11 auf deren dem Leistungshalbleiterchip 14 abgewandten
Seite kontaktiert. Alternativ dazu kann zwischen der Bodenplatte 11 und
dem Kühlkörper 20 auch
ein Wärmeübertragungselement,
z. B. eine Wärmeleitpaste
oder eine Wärmeleitfolie,
angeordnet sein.
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Die
elektrisch leitende Verbindung zwischen der unterseitigen Metallisierung 14c des
Leistungshalbleiterchips 14 und der oberseitigen Metallisierung 13b des
Schaltungsträgers 13 kann
beispielsweise mittels Löten,
mittels elektrisch leitender Verklebung erfolgen, oder mittels einer
Niedertemperatur-Verbindungstechnik
(LTJT = Low Temperature Joining Technique), bei der eine silberhaltige
Schicht zwischen die Metallisierungen 13b und 14c eingebracht
und unter Anwendung von Druck bei einer Temperatur im Bereich von
etwa 230°C
in eine dauerhafte, feste Verbindungsschicht umgewandelt wird, deren
Temperaturfestigkeit größer ist
als etwa 300°C.
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Das
Anschlusselement 16 weist einen Fußpunkt 16b auf, der
mit der Metallisierung 13b des Schaltungsträgers 13 elektrisch
leitend verbunden ist. Als Verbindungstechnik eignet sich beispielsweise
Löten,
Ultraschallschweißen,
Laserschweißen, thermisch
leitendes Kleben, oder die vorangehend erläuterte Niedertemperatur-Verbindungstechnik.
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Ein
Abschnitt 16a des Anschlusselementes 16 ist aus
dem Gehäuserahmen 12 des
Leistungshalbleitermoduls 10 herausgeführt und wird nachfolgend als
Lastanschluss bezeichnet. Das Anschlusselement 16 kann
beispielsweise als Stanzblech ausgebildet sein, das in Abhängigkeit
von der gewünschten
Geometrie und Ausgestaltung des Moduls 1, z. B. von der
Verteilung gegebenenfalls mehrerer Leistungshalbleiterchips 14 auf
dem Schaltungsträger 13,
in geeigneter Weise abgewinkelt ist.
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Der
auf die oberseitige Metallisierung 14b gebondete Bonddraht 15 kann
elektrisch leitend mit einem weiteren Anschlusselement angeschlossen sein,
das ebenso ausgebildet sein kann, wie vorangehend unter Bezugnahme
auf das Anschlusselement 16 erläutert wurde.
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Die
Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Lastanschluss 16a und
einem Anschluss 3a einer an das Leistungshalbleitermodul 10 elektrisch
anzuschließenden
Komponente – in 1A beispielsweise
ein Kondensator 3 – erfolgt
mittels eines niederohmigen Anschlussleiters 31, der z.
B. vollständig
oder nahezu vollständig
aus Kupfer gebildet sein kann. Bei dem Anschlussleiter 31 kann
es sich beispielsweise um eine starre Anschlussschiene (”bus-bar”), aber
auch um einen Folienstreifen, handeln.
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Zur
Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Lastanschluss 16a und dem
Anschlussleiter 31 können
grundsätzlich
verschiedenste Verbindungstechniken eingesetzt werden. Bei der Anordnung
gemäß 1A ist
beispielhaft eine Schraubverbindung gezeigt, die eine Schraubenmutter 18b umfasst,
welche mit einer Schraube 18a verschraubt ist. Die Schraube 18a ist durch
Montageöffnungen
des Anschlussleiters 31 und des Lastanschlusses 16a hindurchgeführt und mit
der Schraubenmuter 18b verschraubt. Alternativ dazu könnte eine
solche Verbindung auch mittels eines Einpresskontakts hergestellt
sein, bei dem sich der Lastanschluss 16a senkrecht von
der Oberseite des Gehäuserahmens 12 weg
erstreckt und der in eine Öffnung
des Anschlussleiters 31 eingepresst ist, so dass eine so
genannte ”Press-Fit” Verbindung
entsteht. Ebenso kann der Lastanschluss 16a eine Klemmvorrichtung
aufweisen, in die der Anschlussleiter 31 mittels einer
Schraub- oder Federverklemmung mit dem Anschlusselement 16 verklemmt
ist.
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Um
die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 10 in dem
Anschlusselement 16 anfallende Wärme abzuführen, ist ein anisotrop wärmeleitendes Wärmeabfuhrelement 41 vorgesehen.
Das Wärmeableitelement 41,
beispielsweise eine Graphitfolie, weist in einer ersten Richtung
r1 des Wärmeableitelementes 41 eine
Wärmeleitfähigkeit λ1 auf, die
größer ist,
als eine Wärmeleitfähigkeit λ2, die es
in einer zweiten Richtung r2 des Wärmeableitelementes 41 besitzt.
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann es sich bei der Wärmeleitfähigkeit λ1 um die maximale
Wärmeleitfähigkeit λmax des Wärmeableitelementes 41 und/oder
bei λ2 um
die minimale Wärmeleitfähigkeit λmin des Wärmeableitelementes 41 handeln,
was jedoch nicht zwingend ist.
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Das
Wärmeableitelement 41 weist
eine erste Kontaktfläche 51 auf, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper 21 gekoppelt
ist, eine zweite Kontaktfläche 52, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter 31 gekoppelt ist,
sowie eine dritte Kontaktfläche 53,
mit der es mit dem Lastanschluss 16a gekoppelt ist. Zwischen
der dritten Kontaktfläche 53 und
der ersten Kontaktfläche 51 besitzt
das Wärmeableitelement 41 einen
ersten Wärmewiderstand
Rth1, sowie zwischen der dritten Kontaktfläche 53 und der zweiten
Kontaktfläche 52 einen
zweiten Wärmewiderstand
Rth2, der größer ist
als der erste Wärmewiderstand
Rth1. Diese Wärmewiderstände Rth1
und Rth2 sind in 1B, welche nur das Wärmeableitelement 41 mit
der ersten, zweiten und dritten Kontaktfläche 51, 52 bzw. 53 zeigt,
analog zu einem elektrischen Schaltbild schematisch dargestellt.
Abhängig
von diesen unterschiedlichen Wärmewiderständen Rth1 und
Rth2 stellen sich in dem Wärmeableitelement 41 ein
erster Wärmestrom Φth1 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
ersten Kontaktfläche 51 und
ein zweiter Wärmestrom Φth2 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
zweiten Kontaktfläche 52 ein.
Wie anhand unterschiedlich breiter Pfeile für die Wärmeströme Φth1 und Φth2 in 1C qualitativ
dargestellt ist, ist der erste Wärmestrom Φth1 größer als
der zweite Wärmestrom Φth2. Dies
gilt zumindest dann, wenn die an der zweiten Kontaktfläche 52 vorliegende
Temperatur des Anschlussleiters 31 (siehe 1A)
nicht signifikant höher
ist als die an der ersten Kontaktfläche 51 vorliegende
Temperatur des Kühlkörpers 21 (siehe 1A),
was jedoch bei einem ausreichend ausgelegten Kühlkörper 21 für die Praxis
nicht von Belang ist.
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Aufgrund
der anisotropen Wärmeleitfähigkeit des
Wärmeableitelementes 41 wird
die in dem Anschlusselement 16 anfallende Wärme ausgehend von
dem Lastanschluss 16a größtenteils in der Richtung r1
abgeführt
und zu einem Kühlkörper 21 weitergeleitet,
der mit dem Wärmeableitelement 41 thermisch
gekoppelt ist. Aufgrund der guten Wärmleitfähigkeit λ1 in Richtung des Kühlkörpers 21 und
der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit λ2 in der
zweiten Richtung r2 wird von dem Lastanschluss 16a signifikant
weniger Wärme
an den Anschlussleiter 31 übertragen, als bei einer Anordnung,
bei der der Anschlussleiter 31 den Lastanschluss 16a unmittelbar
kontaktiert. Aufgrund der Verbindungselemente 18a, 18b kommt
es zwar zu einem lokal erhöhten Wärmefluss
von dem Lastanschluss 16a zu dem Anschlussleiter 31,
allerdings ist die Querschnittsfläche der Schraube 18a klein
im Vergleich zu der Kontaktfläche,
die sich zwischen dem Lastanschluss 16a und dem Anschlussleiter 31 ohne
das dazwischen liegende Wärmeableitelement 41 ergäbe.
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Des
weiteren steigt die Kühlwirkung
des Kühlkörpers 21 mit
der Größe der ersten
Kontaktfläche 51.
Die erste Kontaktfläche 51 kann
beispielsweise größer gewählt werden
als die zweite Kontaktfläche 52,
oder z. B. wenigstens das zweifache der zweiten Kontaktfläche 52 betragen.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch ein ebenes oder im Wesentlichen ebenes,
anisotrop wärmeleitendes
Wärmeableitelement 41,
wie es z. B. bei der unter Bezugnahme auf 1A erläuterten
Leistungshalbleiteranordnung eingesetzt werden kann.
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Das
Wärmeableitelement 41 weist
in einer ersten Richtung r1 entlang eines Pfades P1 eine Wärmeleitfähigkeit λ1 auf, sowie
in einer zweiten Richtung r2 entlang eines Pfades P2 eine zweite Wärmeleitfähigkeit λ2, die kleiner
ist, als die erste Wärmeleitfähigkeit λ1. Aufgrund
der anisotropen Wärmeleitfähigkeit
wird eine an einer bestimmten Stelle des Wärmeableitelements 41 vorliegender Wärmeüberschuss
in der ersten Richtung r1 besser abgeführt, als in der zweiten Richtung
r2. Bei der ersten Wärmeleitfähigkeit λ1 kann es
sich beispielsweise um die maximale Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableitelements 41 handeln.
Bei der zweiten Wärmeleitfähigkeit λ2 kann es
sich z. B. um die kleinste Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 handeln.
In diesen jeweils optionalen Fällen
geben die Richtungen r1 bzw. r2 die Richtungen maximaler Wärmeleitfähigkeit
bzw. die minimaler Wärmeleitfähigkeit
an.
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Abhängig von
der inneren Struktur des Wärmeableitelements 41 können die
Richtungen maximaler Wärmeleitfähigkeit
und minimaler Wärmeleitfähigkeit
beispielsweise senkrecht zueinander verlaufen, oder aber einen Winkel
einschließen,
der größer ist
als 0° und
kleiner als 90°.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
bei dem das Wärmeableitelement 41 als
ebene Graphitfolie ausgebildet ist, verlaufen die Richtungen maximaler
Wärmeleitfähigkeit
und minimaler Leitfähigkeit
senkrecht zueinander.
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3 zeigt
erneut das in 2 abgebildete Wärmeableitelement 41.
Zusätzlich
ist anhand verschiedener Richtungspfeile r1, r2, r3, r4, r5, r6,
r7 die Richtungsabhängigkeit
der Wärmeleitfähigkeit
schematisch erläutert.
Die Länge
der Richtungspfeile r1 bis r7 dient als Maß für die Wärmeleitfähigkeit in der betreffenden
Richtung, d. h. je größer die
Länge eines
Pfeils ist, desto größer ist
die Wärmeleitfähigkeit des
Wärmeableitelements 41 in
der Richtung des betreffenden Pfeils.
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Die
maximale Wärmeleitfähigkeit λ1 liegt in der
Richtung r1 vor, die minimale Wärmeleitfähigkeit λ2 in der
Richtung r2. Ausgehend von der Richtung r2 steigt die Wärmeleitfähigkeit
in den Richtungen r3, r4, r5, r6, r7 bis r1 mit zugeordneten Wärmeleitfähigkeiten λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 bzw. λ1 immer weiter
an.
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Die
in den 2 und 3 gezeigten Wärmeableitelemente 41 sind
flach und im Wesentlichen eben ausgebildet. Grundsätzlich können Wärmeableitelemente 41 mit
anisotroper Wärmeleitfähigkeit wie
zum Beispiel die bereits erwähnte
Graphitfolie, jedoch auch eine andere Gestalt aufweisen. Als Beispiel
hierzu zeigt 4 eine Querschnittsansicht eines
gekrümmten
Abschnittes einer Graphitfolie. Aufgrund der Krümmung lassen sich die Richtungen,
in denen das Wärmeableitelement 41 eine
bestimmte Wärmeleitfähigkeit
aufweist, nicht mehr einheitlich für das gesamte Wärmeableitelement 41 angeben.
Die einer bestimmten Wärmeleitfähigkeit
zugeordneten Richtungen sind vielmehr ortsabhängig, was in 4 beispielhaft
an den Richtungen r1' und
r2' gezeigt ist. Vielmehr
sind die Richtungen r1' und
r2' jeweils eine Funktion
des Ortes.
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Dargestellt
sind beispielhaft verschiedene Stellen S1, S2, S3 und S4 in dem
Wärmeableitelement 41,
denen jeweils lokal eine Richtung r1'(S1), r1'(S2), r1'(S3), r1'(S4) zugeordnet ist, in der Wärmeableitelement 41 eine
erste Wärmeleitfähigkeit λ1 aufweist.
Entsprechend besitzt das Wärmeableitelement 41 an
den Stellen S1, S2, S3 und S4 jeweils lokal in Richtungen r2'(S1), r2'(S2), r2'(S3), r2'(S4) eine zweite
Wärmeleitfähigkeit λ2.
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Auf
diese Weise lassen sich zumindest bei bestimmten Anordnungen innerhalb
des Wärmeableitelementes 41 Pfade
P1 definieren, entlang denen das Wärmeableitelement 41 – jeweils
lokal – in
Pfadrichtung eine konstante Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 sind
beispielhaft verschiedene Pfade P2, P3, P4, P5 und P6 dargestellt,
entlang denen das Wärmeableitelement 41 jeweils
in Pfadrichtung eine Wärmeleitfähigkeit λ2 aufweist.
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Die
folgenden 5 bis 7 zeigen
jeweils einen Lastanschluss 16a, der wie anhand von 1A erläutert, mittels
eines anisotrop wärmeleitenden
Wärmeleitelementes 41 mit
einem Kühlkörper 21 und
mit einem Anschlussleiter 31 thermisch gekoppelt ist. Dargestellt
sind jeweils verschiedene Pfade, entlang denen die Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeleitelementes 41 – jeweils
in Pfadrichtung – konstant
ist. Die zugehörige
Leistungshalbleitermodulanordnung kann z. B. so ausgestaltet sein,
wie dies vorangehend unter Bezugnahme auf 1A erläutert wurde.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde in den 5 bis 7 auf die
Darstellung von Verbindungselementen zur Herstellung einer elektrisch
leitenden Verbindung zwischen dem Lastanschluss 16a und
dem Anschlussleiter 31, sowie auf die Darstellung eines
Gehäuses
des Leistungshalbleitermoduls, verzichtet.
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Das
Wärmeableitelement 41 weist
eine erste Kontaktfläche 51 auf, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper 21 gekoppelt
ist. Weiterhin ist es thermisch mittels einer zweiten Kontaktfläche 52 mit
dem Anschlussleiter 31 und mittels einer dritten Kontaktfläche 53 mit
dem Lastanschluss 16a gekoppelt.
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Wie
in 5 gezeigt ist, kann die thermische Kopplung dabei
jeweils unmittelbar erfolgen. Alternativ dazu können – unabhängig voneinander – zwischen
dem Wärmeableitelement 41 und
dem Kühlkörper 21,
zwischen dem Wärmeableitelement 41 und
dem Anschlussleiter 31, sowie zwischen dem Wärmeableitelement 41 und
dem Lastanschluss 16a noch weitere thermisch gut leitende
Elemente vorgesehen sein. In diesem Fall sind die Kontaktflächen 51, 52, 53 durch
die Oberflächenbereiche
des Wärmeableitelementes 41 gegeben,
in denen das Wärmeableitelement 41 ein
oder mehrere solcher weiteren Elemente unmittelbar kontaktiert.
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Bei
einer Erwärmung
des Lastanschlusses 16a kommt es ausgehend von der dritten
Kontaktfläche 53 zu
einem Wärmefluss
in Richtung des Kühlkörpers 21 sowie
in Richtung des Anschluss elementes 31. Ausgehend von einem
bestimmten Punkt der Kontaktfläche 53 lassen
sich in dem Wärmeableitelement 41 verschiedene
Pfade definieren, entlang denen das Wärmeableitelement 41 in
Pfadrichtung eine konstante Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Hierzu sind beispielhaft in 5 zwei Punkte
S5 und S6 der dritten Kontaktfläche 53 dargestellt.
Ausgehend von dem Punkt S5 kann die Wärmeausbreitung in Richtung
der ersten Kontaktfläche 51 beispielsweise
entlang von Pfaden P1',
P1'' und P1''' erfolgen.
Entlang eines jedem dieser Pfade P1', P1'' und P1''' weist
das Wärmeableitelement 41 – jeweils
in Richtung des betreffenden Pfades P1', P1'', P1''' – eine dem
betreffenden Pfad zugeordnete Wärmeleitfähigkeit λ1', λ1'' bzw. λ1''' auf. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 ist
die Wärmeleitfähigkeit λ1'' größer als
die Wärmeleitfähigkeit λ1' und kleiner als
die Wärmeleitfähigkeit λ1'''.
Entsprechend lassen sich innerhalb des Wärmeableitelements 41 ausgehend von
dem Punkt S6 Pfade P2',
P2'', P2''' in
Richtung der zweiten Kontaktfläche 52 definieren,
entlang denen – jeweils
in Pfadrichtung – die
Wärmeleitfähigkeit λ2', λ2'' bzw. λ2''' jeweils konstant
ist.
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Betrachtet
man die Menge aller möglichen, innerhalb
des Wärmeableitelements 41 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
ersten Kontaktfläche 51 verlaufenden
Pfade, entlang denen die Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 in
Pfadrichtung jeweils konstant ist, so enthält diese Menge Pfade, entlang
denen die Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 maximal
ist, und solche, entlang denen sie minimal ist.
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Entsprechend
lassen sich aus der Menge der innerhalb des Wärmeableitelements 41 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
zweiten Kontaktfläche 52 verlaufenden
Pfade P2', P2'', P2''' mit in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 Pfade
mit in Pfadrichtung maximaler bzw. mit in Pfadrichtung minimaler
Wärmeleitfähigkeit auswählen.
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In 6 sind
für das
Ausführungsbeispiel gemäß 5 solche
Pfade mit in Pfadrichtung maximaler bzw. minimaler Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 jeweils
für Pfade
zwischen der dritten Kontaktfläche 53 und
der ersten Kontaktfläche 51,
sowie für
Pfade zwischen der dritten Kontaktfläche 53 und der zweiten
Kontaktfläche 52 dargestellt. Entlang
eines Pfades P1(λ1max)
weist das Wärmeableitelement 41 in
Pfadrichtung eine Wärmeleitfähigkeit λ1max auf.
Diese Wärmeleitfähigkeit λ1max ist
die maximale eines innerhalb des Wärmeableitelements 41 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
ersten Kontaktfläche 51 verlaufenden
Pfades mit in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableitelements 41.
Entsprechend weist das Wärmeableitelement 41 entlang
eines Pfades P1(λ1min) eine
Wärmeleitfähigkeit λ1min auf,
welche die minimal mögliche
Wärmeleitfähigkeit
eines beliebigen von der dritten Kontaktfläche 53 zur ersten
Kontaktfläche 51 innerhalb
des Wärmeableitelements 41 verlaufenden
Pfades mit in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableitelements 41 darstellt.
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Auf
entsprechende Weise lassen sich Pfade mit maximaler bzw. Pfade mit
minimaler Wärmeleitfähigkeit
auch für
zwischen der dritten Kontaktfläche 53 und
der zweiten Kontaktfläche 52 verlaufende
Pfade mit in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeiten ermitteln. So ist
z. B. in 6 die maximal mögliche Wärmeleitfähigkeit
entlang eines innerhalb des Wärmeableitelements 41 zwischen
der dritten Kontaktfläche 53 und
der zweiten Kontaktfläche 52 verlaufenden
Pfades mit in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableitelements 41 mit λ2max bezeichnet.
Diese tritt entlang eines Pfades P2(λ2max) auf. Korrespondierend
dazu lässt
sich eine minimale Wärmeleitfähigkeit λ2min ermitteln, welche
die minimale entlang eines Pfades zwischen der dritten Kontaktfläche 53 und
der zweiten Kontaktfläche 52 mit
in Pfadrichtung konstanter Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelements 41 darstellt.
Der zugehörige
Pfad ist mit P2(λ2min)
bezeichnet.
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Das
für das
Wärmeableitelement 41 verwendete
Material sowie die Geometrie des Wärmeableitelements 41 kann
in Verbindung mit dessen Orientierung und der Größe der Kontaktflächen 51, 52, 53 so ausgewählt sein,
dass die Wärmeleitfähigkeit λ1max größer ist
als die Wärmeleitfähigkeit λ2min, oder
größer als
die Wärmeleitfähigkeit λ2max. Alternativ
oder ergänzend
dazu kann die Wärmeleitfähigkeit λ1min größer sein,
als die Wärmeleitfähigkeit λ2min, oder größer als
die Wärmeleitfähigkeit λ2max.
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Während der
Kühlkörper 21 bei
der Anordnung gemäß den 5 und 6 auf
der selben Seite des Wärmeableitelements 41 angeordnet
ist wie der Anschlussleiter 31, zeigt 7 eine
Anordnung, die sich von der Anordnung gemäß den 5 und 6 darin
unterscheidet, dass der Kühlkörper 21 auf
derselben Seite des Wärmeableitelements 41 angeordnet
ist, wie der Lastanschluss 16a. Wie zu erkennen ist, kommt
es aufgrund der veränderten
Lage des Kühlkörpers 21 zu
einem anderen Verlauf der Pfade P1(λ1min) und P1(λ1max).
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Bei
der Anordnung gemäß 7 sind
die maximale Wärmeleitfähigkeit λ1max und
die minimale Wärmeleitfähigkeit λ1min identisch.
Zu beachten ist, dass die in 7 dargestellte
Wärmeleitfähigkeit λ1max im Allgemeinen
verschieden ist von der in 6 dargestellten
Wärmeleitfähigkeit λ1max. Dasselbe
gilt entsprechend für
die Wärmeleitfähigkeiten λ1min in den 6 und 7.
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Aufgrund
der im Vergleich zur Anordnung gemäß den 5 und 6 unveränderten
Anordnung des Lastanschlusses 16a, des Anschlusselementes 31 und
des Wärmeableitelementes 41 relativ
zueinander, sind die Pfade P2(λ2max)
mit der zugeordneten Wärmeleitfähigkeit λ2max und
P2(λ2min)
mit der zugeordneten Wärmeleitfähigkeit λ2min ebenfalls unverändert. Die
Wärmeleitfähigkeiten λ1max und λ1min sind
größer als
die Wärmeleitfähigkeit λ2min und
können
optional auch größer sein
als die Wärmeleitfähigkeit λ2max.
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Gemäß dem zweiten
eingangs erläuterten Aspekt
der Erfindung, der bei einer Leistungshalbleitermodulanordnung alternativ
oder zusätzlich
zu dem ersten Aspekt vorgesehen sein kann, weist das anisotrop wärmeleitende
Wärmeableitelement 41 wie anhand
der 5 bis 7 gezeigt, eine erste Kontaktfläche 51 auf, über die
es thermisch mit dem Kühlkörper 21 gekoppelt
ist. Hierzu kann der Kühlkörper 21 das
Wärmeableitelement 41 – wie in 1A gezeigt – unmittelbar
kontaktieren. Alternativ dazu kann jedoch auch eine weitere Komponente
zwischen dem Wärmeableitelement 41 und
dem Kühlkörper 21 vorgesehen
sein. Wenn beispielsweise der Kühlkörper 21 und
das Wärmeableitelement 41 elektrisch
voneinander isoliert sein sollen, kann als weitere Komponente ein
wärmeleitendes
Dielektrikum, z. B. eine Folie aus einem Silikonelastomer, aus einem Silikongel,
aus Polyimid, oder aus einem Phasenänderungsmaterial, eine Glimmerscheibe,
ein Keramikplättchen
vorgesehen sein. Wenn keine Isolation erforderlich ist, können als
weitere Komponente auch ein Wärmeleitkleber
oder eine Wärmeleitpaste
eingesetzt werden. Für
den Fall, dass eine oder mehrere weitere solcher Komponenten vorgesehen
sind, ist die Kontaktfläche 51 durch
die Kontaktfläche
zwischen dem Wärmeableitelement 41 und
einer oder mehreren dieser weiteren Komponenten gegeben.
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Weiterhin
weist das Wärmeableitelement 41 eine
zweite Kontaktfläche 52 auf, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter 31 gekoppelt ist.
Die zweite Kontaktfläche 52 kann
dabei kleiner sein als die erste Kontaktfläche 51, so dass ein
nicht unerheblicher Anteil der in dem Anschlusskontakt 16a anfallenden
Wärme zum
Kühlkörper 21 hin
abfließen und
dort an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Das
Wärmeableitelement 41 weist
außerdem
eine dritte Kontaktfläche 53 auf, über die
es thermisch mit dem Anschlussleiter 31 gekoppelt ist.
Entlang eines kürzestmöglichen
innerhalb des Wärmeableitelementes 41 verlaufenden
ersten Pfades P1(λ1min)
(siehe die 6 und 7), der
sich von der dritten Kontaktfläche 53 zur
ersten Kontaktfläche 51 erstreckt,
besitzt das Wärmeableitelement 41 an wenigstens
einer Stelle des ersten Pfades P1(λ1min) eine in Pfadrichtung minimale
erste Wärmeleitfähigkeit λ1min.
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Außerdem besitzt
das Wärmeableitelement 41 entlang
eines kürzestmöglichen
innerhalb des Wärmeableitelementes 41 verlaufenden
zweiten Pfades P2(λ2max),
der sich von der dritten Kontaktfläche (53) zur ersten
Kontaktfläche
(51) erstreckt, an wenigstens einer Stelle des zweiten
Pfades (P2(λ2max))
eine in Pfadrichtung maximale zweite Wärmeleitfähigkeit λ2max, die kleiner ist als die
erste Wärmeleitfähigkeit λ1min.
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8 zeigt
eine Anordnung entsprechend 7 mit dem
Unterschied, dass das Wärmeableitelement 41 gekrümmt ist,
so dass sich ein anderer kürzestmöglicher,
innerhalb des Wärmeableitelementes 41 von
der dritten Kontaktfläche 53 zur
ersten Kontaktfläche 51 verlaufender
Pfad P1 ergibt als bei der in 7 gezeigten
Anordnung. Entlang des Pfades P1 variiert die in Pfadrichtung vorliegende
Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelementes 41,
wobei ihr Minimum λ1min(P1)
an einer Stelle S1min auftritt, die sich in dem Beispiel am Ende
des Pfades P1 an der ersten Kontaktfläche 51 befindet.
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Bei
einem anderen Verlauf der Krümmung des
Wärmeableitelements
und/oder bei einem Wärmeableitelement
mit einer anderen Struktur hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit muss ein entsprechendes Minimum λ1min(P1)
nicht notwendigerweise an einem Pfadende, d. h. einer der Kontaktflächen 51, 53, auftreten.
Ein solches Minimum kann z. B. auch an einer oder mehreren Stellen
des Pfades zwischen den Pfadenden vorhanden sein.
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9 zeigt
eine Leistungshalbleitermodulanordnung mit einem Leistungshalbleitermodul 10, das
einen Aufbau aufweisen kann, wie ein unter Bezugnahme auf 1A erläutertes
Leistungshalbleitermodul. Das Leistungshalbleitermodul 10 weist ebenfalls
eine Bodenplatte 11 auf, die auf der dem Halbleiterchip
(nicht dargestellt) abgewandten Seite mit einem Kühlkörper 20 in
thermischem Kontakt steht. Das Leistungshalbleitermodul 10 weist
ein Anschlusselement 16 auf, sowie einen Lastanschluss 16a,
der elektrisch leitend mit dem Anschlusselement 16 verbunden
ist und optional einstückig
mit diesem ausgebildet sein kann. Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst
außerdem
einen weiteren Anschlusskontakt 17, sowie einen Lastanschluss 17a,
der elektrisch leitend mit dem Lastanschluss 17 verbunden
ist und der optional einstückig
mit diesem ausgebildet sein kann. Die Anschlusselemente 16 und 17 sowie die
Lastanschlüsse 16a, 17a sind
in 9 gestrichelt angedeutet. Die Anschlusselemente 16 und 17 und die
zugehörigen
Lastanschlüsse 16a bzw. 17a können so
ausgebildet und mit einem Anschlussleiter elektrisch verbunden sein,
wie das unter Bezugnahme auf 1A erläuterte Anschlusselement 16 bzw. der
Lastschluss 16a einschließlich dessen Verbindungstechnik
zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem Anschlussleiter 31.
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Die
Lastanschlüsse 16a, 17a können beispielsweise
dazu vorgesehen sein, dem Leistungshalbleitermodul 10 eine
Versorgungsspannung zuzuführen.
Alternativ dazu können
die Lastanschlüssen 16a, 17a auch
dazu dienen, eine Ausgangsspannung zur Versorgung einer an das Leistungshalbleitermodul 10 anzuschließenden Last
bereitzustellen. In jedem Fall ist es erforderlich, die Lastanschlüsse 16a, 17a elektrisch
leitend mit weiteren Komponenten zu verbinden. 9 zeigt
als weitere Komponente beispielsweise einen Kondensator 3,
der zwei nicht dargestellte Anschlüsse aufweist, von denen einer
mit dem Lastanschluss 16a und der andere mit dem Lastanschluss 17a elektrisch
leitend verbunden ist.
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Zur
Herstellung dieser elektrisch leitenden Verbindung ist eine Anschlusseinheit 4 vorgesehen, in
der in einer Richtung aufeinanderfolgend ein elektrisch und thermisch
leitender erster Anschlussleiter 31, ein anisotrop wärmeleitendes
Wär meableitelement 41,
eine Isolatorschicht 40, ein anisotrop wärmeleitendes
zweites Wärmeableitelement 42,
und elektrisch und thermisch leitender zweiter Anschlussleiter 32 aufeinanderfolgend
angeordnet sind. Der erste Anschlussleiter 31 und der zweite
Anschlussleiter 32 sind zumindest durch die Isolatorschicht 40 elektrisch
gegeneinander isoliert.
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Der
erste Anschlussleiter 31 verbindet einen ersten Anschluss
des Kondensators 3 elektrisch leitend mit dem Lastanschluss 16a.
Entsprechend verbindet der Anschlussleiter 32 einen zweiten
Anschluss des Kondensators 3 elektrisch leitend mit dem
Lastanschluss 17a.
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Die
Herstellung der betreffenden elektrisch leitenden Verbindungen kann
beispielhaft mittels Schrauben 18a bzw. 19a erfolgen.
Die Schraube 18a ist mit dem Lastanschluss 16a und
mit dem ersten Anschlussleiter 31, die Schraube 19a mit
dem Lastanschluss 17a und mit dem zweiten Anschlussleiter 32 elektrisch
leitend verbunden. Alternativ zu Schraubverbindungen können auch
andere Verbindungstechniken eingesetzt werden, z. B. die unter Bezugnahme
auf 1A erläuterten
Verbindungstechniken zwischen dem dort gezeigten Anschlusselement 16 und
dem Anschlussleiter 31.
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Die
Anordnung gemäß 9 umfasst
einen ersten Kühlkörper 21 und
einen zweiten Kühlkörper 22,
die den ersten Anschlussleiter 31 bzw. den zweiten Anschlussleiter 32 kontaktieren
und so eine Kühlung
des betreffenden Anschlussleiters 31 bzw. 32 ermöglichen.
Grundsätzlich
kann es ausreichend sein, nur einen der Kühlkörper 31 oder 32 vorzusehen.
Sofern es sich bei der Isolatorschicht jedoch um einen schlechten
Wärmeleiter
handelt, ist es vorteilhaft, für jeden
der Anschlussleiter 31, 32 wie gezeigt einen separaten
Kühlkörper 21 bzw. 22 vorzusehen.
Ebenso kann ein gemeinsamer Kühlkörper verwendet werden,
wobei zur Vermeidung eines Kurzschlusses zumindest einer der Anschlussleiter 31, 32 gegenüber dem
gemeinsamen Kühlkörper isoliert
werden muss, sofern dieser elektrisch leitend ist.
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Das
erste Wärmeableitelement 41 weist
in einer ersten Richtung r1 eine Wärmeleitfähigkeit auf, die kleiner ist
als eine Wärmeleitfähigkeit
in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung r2. Auch
das zweite Wärmeableitelement 42 weist
in der ersten Richtung r1 eine Wärmeleitfähigkeit
auf, die kleiner ist, als eine Wärmeleitfähigkeit
in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung. Ein solcher
Aufbau einer Anschlusseinheit 4 lässt sich beispielsweise dadurch
erreichen, dass der erste Anschlussleiter 31, das erste
Wärmeableitelement 41, die
Isolatorschicht 40, das zweite Wärmeableitelement 42 und
der zweite Anschlussleiter 32 mittels einer Laminiertechnik
aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander verbunden werden.
Ein solcher Verbund vereinfacht die Herstellung elektrisch leitender Verbindungen
von bzw. zu Leistungshalbleitermodulen erheblich.
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In
der ersten Richtung r1 kann die Wärmeleitfähigkeit des ersten Wärmeableitelements 41 und/oder
die Wärmeleitfähigkeit
des zweiten Wärmeableitelements 42 beispielsweise
größer sein
als 400 W/(K·m).
Außerdem
kann die Wärmeleitfähigkeit
des ersten Wärmeableitelements 41 und/oder
die Wärmeleitfähigkeit
des zweiten Wärmeableitelements 42 in
der zweiten Richtung r2 kleiner sein als 40 W/(K·m).
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Die
in 9 gezeigte Anschlusseinheit 4 weist zudem
den Vorteil auf, dass die Wärmeableitelemente 41, 42 und
die Isolatorschicht 40 zwischen den Anschlussleitern 31 und 32 angeordnet
sind und deshalb durch diese stabilisiert werden. Dies ist vor allem
dann von Vorteil, wenn zumindest eine der zwischen den Anschlussleitern 31 und 32 angeordneten Komponenten
eine geringe mechanische Eigenstabilität aufweist, so dass ohne eine
Stabilisierung eine Gefahr der Beschädigung dieser Elemente bestünde. So
können
beispielsweise das erste Wärme ableitelement 41 und/oder
das zweite Wärmeleitelement 42 als
Graphitfolie ausgebildet sein.
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Das
Wärmeableitelement 41 und/oder
das Wärmeableitelement 42 können hinsichtlich
ihrer Orientierung sowie hinsichtlich der verwendeten Materialien
so gewählt
sein, dass sie in der Richtung r1 ihre maximale Wärmeleitfähigkeit
und in der Richtung r2 ihre minimale Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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10 zeigt
eine Abwandlung der in 1A gezeigten Leistungshalbleitermodulanordnung.
Die Abwandlung besteht darin, dass das anisotrop wärmeleitende
Wärmeableitelement 41,
z. B. eine Graphitfolie, nicht eben sondern gekrümmt verläuft. Mittels einer geeigneten
Krümmung
kann das Wärmeableitelement 41 optional
mit dem Kühlkörper 20 gekoppelt
werden, der auf der dem Leistungshalbleiterchip 14 abgewandten
Seite der optionalen Bodenplatte 11 angeordnet und thermisch
mit dieser gekoppelt ist. Optional kann der Kühlkörper 20 mittels eines wärmeleitenden
Dielektrikums 5 elektrisch gegenüber dem Wärmeableitelement 41 isoliert
werden. Als Kühlkörper 20,
der auf der dem Leistungshalbleiterchip 14 abgewandten
Seite der Bodenplatte 11 angeordnet und thermisch mit dieser
gekoppelt ist, kann beispielsweise auch einer der Kühlkörper 21, 22 verwendet
und auf eine Weise mit dem Wärmeableitelement 41 in
Kontakt gebracht werden, wie dies anhand der 1 und 5 bis 8 erläutert wurde.
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Die
anhand der vorangehenden Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele
zeigen jeweils auch den dritten Aspekt der Erfindung. Hierzu ist
in den 5 bis 9 beispielhaft eine Stelle S0
der zweiten Kontaktfläche 52 dargestellt.
An zumindest dieser Stelle S0 besitzt das Wärmeableitelement in der Richtung
der Normalen n der zweiten Kontaktfläche 52 eine zweite
Wärmeleitfähigkeit,
die kleiner ist als eine erste Wärmeleitfähigkeit,
die es an dieser Stelle S0 in einer zur Richtung der Normalen n
senkrechten Richtung t aufweist. Jeweils optional kann die erste Wärmeleitfähigkeit
gleich der maximalen Wärmeleitfähigkeit
und die zweite Wärmeleitfähigkeit
gleich der minimalen Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeableitelementes 41 sein.
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Die
vorangehend erläuterten
Aspekte betreffend eine Leistungshalbleitermodulanordnung können, müssen jedoch
nicht notwendigerweise in Kombination miteinander eingesetzt werden.
Grundsätzlich
kann eine Leistungshalbleitermodulanordnung auch nur einen einzigen,
beliebigen der Aspekte eins, zwei, drei und fünf aufweisen. Soweit verschiedene dieser
Aspekte einander nicht widersprechen, können diese Aspekte auch in
beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden.