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Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule, wie sie beispielsweise bei Umrichtern eingesetzt werden. Üblicherweise werden Leistungshalbleitermodule zur Kühlung auf einem Kühlkörper montiert. Außerdem können solche Module zu ihrer externen elektrischen Verschaltung mit elektrischen Verschaltungsvorrichtungen wie z. B. Leiterplatten oder Busschienen (”Busbars”) verbunden werden. Daher müssen das Modul und der Kühlkörper zur Herstellung der Verbindungen mechanisch zueinander in vorgegebener Weise ausgerichtet und an entsprechenden Kontaktflächen miteinander in thermischen Kontakt gebracht werden. Insbesondere bei der Verwendung zähflüssiger oder pastenartiger Wärmeübertragungsmedien zwischen Modul und Kühlkörper, z. B. einer Wärmeleitpaste, kann es bei der Montage des Moduls auf dem Kühlkörper dazu kommen, dass sich das Modul gegenüber dem Kühlkörper verdreht und dass dadurch das zuvor in einer definierten Weise, d. h. gemäß einem bestimmten Verteilungsmuster und/oder gemäß einer bestimmten Dickenverteilung auf eine der Kontaktflächen des Moduls oder des Kühlkörpers aufgetragene Wärmeübertragungsmedium verschmiert wird, so dass letztlich kein reproduzierbarer Auftrag des Wärmeübertragungsmediums erreicht wird.
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Diese Problematik ist insbesondere dann gegeben, wenn nur ein einziges Verbindungsmittel, beispielsweise eine einzige Schraube, zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls mit dem Kühlkörper vorgesehen ist. Weiterhin kann diese Problematik auch bei Modulen mit zwei oder mehr Verbindungsmitteln wie z. B. Schrauben bestehen, da die hierzu am Modul vorgesehen Montagelöcher ein ausreichendes Übermaß aufweisen müssen, um ein Einführen der Schrauben in die Montagelöcher zu ermöglichen, so dass es auch in diesem Fall zu einer relativen Verdrehung zwischen dem Modul und dem Kühlkörper und damit einhergehend zu einem Verschmieren des Wärmeübertragungsmediums kommen kann.
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Aus der
JP 03-183 157 A ist ein Halbleiterbauelement mit einem Harzgehäuse bekannt, welches einen mit einer Hinterschneidung versehenen Einschnitt aufweist, in den ein Vorsprung eines Kühlkörpers eingesetzt ist. Dabei ist der Vorsprung im Bereich des Einschnitts mit dem Harzgehäuse verklebt.
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Die
WO 99/00 843 A1 beschreibt eine Anordnung mit einer Leiterplatte, auf der ein integrierter Schaltkreis angeordnet ist. Auf der Oberseite des integrierten Schaltkreises sind ein oder zwei Stäbe befestigt, von denen jeder in eine korrespondierende Öffnung eines Kühlkörpers eingeschoben werden kann.
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Die
US 6 829 144 B1 zeigt einen auf einem Chipträger montierten Chip. In den Eckbereichen des Chipträgers 1 befindet sich jeweils eine Säule, die in eine korrespondierende Öffnung eines Kühlkörpers eingreift.
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Aus der
US 7 270 176 B2 ist ein mit Bauelementen bestücktes Substrat mit darauf befindlichen bekannt, welches Öffnungen aufweist, die mit Öffnungen eines Kühlkörpers korrespondieren. Um das Substrat mit dem Kühlkörper zu verbinden, ist ein Verbindungspin vorgesehen, dessen Enden in korrespondierende Öffnungen des Substrats bzw. des Kühlkörpers eingebracht werden können.
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Die
US 5 304 735 beschreibt Pin Grid Array (PGA), das in eine Vertiefung eines Kühlkörpers eingesetzt und im Randbereich mit diesem mittels Clips verklammert ist.
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In der
US 6 717 806 B2 wird eine Anordnung mit einem Leistungsmodul und einem Kühlkörper beschrieben, die zur gemeinsamen Montage an einer rahmenartigen Haltevorrichtung jeweils mit Öffnungen versehen sind, in welche Justagepins der Haltevorrichtung eingreifen und so eine vorgegebene Positionierung des Leistungsmoduls und des Kühlkörpers gewährleisten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das verdrehsicher an einem Kühlkörper montierbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur verdrehsicheren Montage eines Leistungshalbleitermoduls an einem Kühlkörper anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Montage eines Leistungshalbleitermoduls an einem Kühlkörper gemäß Patentanspruch 27 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das nachfolgend erläuterte Leistungshalbleitermodulsystem umfasst einen Leistungshalbleitermodul und einen Kühlkörper, sowie wenigstens ein Befestigungsmittel, mittels dem das Leistungshalbleitermodul fest mit dem Kühlkörper verbunden werden kann. Das Leistungshalbleitermodul weist eine Unterseite mit einer ersten Wärmekontaktfläche auf. Entsprechend weist der Kühlkörper eine Oberseite mit einer zweiten Wärmekontaktfläche auf. Die Entwärmung des Leistungshalbleitermoduls kann dadurch erfolgen, dass die erste Wärmekontaktfläche und die zweite Wärmekontaktfläche miteinander in thermischen Kontakt gebracht werden.
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Das Leistungshalbleitermodul umfasst weiterhin eine Anzahl N1 ≥ 1 erster Positionierelemente, der Kühlkörper eine Anzahl N2 ≥ 1 zweiter Positionierelemente. Dabei korrespondiert jedes der ersten Positionierelemente mit einem der zweiten Positionierelemente und bildet mit diesem ein Paar. Das Leistungshalbleitermodul und der Kühlkörper können nun so zueinander angeordnet werden, dass die beiden Positionierelemente eines jeden Paares bei der Montage des Leistungshalbleitermoduls an dem Kühlkörper vollständig oder zumindest teilweise ineinander greifen, so dass das Leistungshalbleitermodul und der Kühlkörper eindeutig und verdrehsicher relativ zueinander ausgerichtet sind und dann unter Verwendung des wenigstens einen Befestigungsmittels fest miteinander verbunden werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente mit gleicher oder einander entsprechender Funktion. Es zeigt:
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1A die mit mehreren als Vorsprünge ausgebildeten Positionierelementen versehene Unterseite eines Leistungshalbleitermoduls;
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1B einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß 1A in einer Schnittebene E1, welches mit Hilfe eines Befestigungsmittels mit einem Kühlkörper verschraubt wird;
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2A die mit mehreren als Vertiefungen ausgebildeten Positionierelementen versehene Unterseite eines Leistungshalbleitermoduls;
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2B einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß 2A, welches mit Hilfe eines Befestigungsmittels mit einem Kühlkörper verschraubt wird, in einer in 2A dargestellten Schnittebene E2;
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3A die mit mehreren Positionierelementen versehene Unterseite eines Leistungshalbleitermoduls, wobei die Positionierelemente am seitlichen Rand der Unterseite angeordnet sind;
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3B eine Seitenansicht des in 3A gezeigten Leistungshalbleitermoduls nach dessen Montage an einem Kühlkörper;
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3C einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 3B in einer in den 3A und 3B gezeigten Schnittebene E3;
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4A einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Leistungshalbleitermodulsystems mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper ein gefedertes Positionierelement aufweist;
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4B das Leistungshalbleitermodulsystem gemäß 4A nach dem Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf dem Kühlkörper derart, dass das Positionierelement des Kühlkörpers in ein korrespondierendes Positionierelement des Leistungshalbleitermoduls eingreift;
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5A einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Leistungshalbleitermodulsystems mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlkörper, wobei das Leistungshalbleitermodul ein gefedertes Positionierelement aufweist;
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5B das Leistungshalbleitermodulsystem gemäß 5A nach dem Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf dem Kühlkörper derart, dass das Positionierelement des Kühlkörpers in ein korrespondierendes Positionierelement des Kühlkörpers eingreift;
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6 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Leistungshalbleitermodulsystems, bei dem das Leistungshalbleitermodul ein federndes Positionierelement aufweist, das einstückig mit dem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls ausgebildet ist;
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7A das in 6 gezeigte Leistungshalbleitermodul während des Auftragens einer Wärmeleitpaste auf die Wärmekontaktfläche des Moduls mittels eines Siebs und eines Rakels;
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7B das in 7A gezeigte Leistungshalbleitermodul nach dem Entfernen des Siebs mit der strukturiert aufgetragenen Wärmeleitpaste.
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1A zeigt ein Leistungshalbleitermodul 1 mit Blick auf dessen Unterseite 12. Der Großteil der Unterseite 12 besteht aus einer ersten Wärmekontaktfläche 13, die dazu vorgesehen ist, die beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls anfallende Wärme in Richtung eines mit der ersten Wärmekontaktfläche 13 zu kontaktierenden Kühlkörpers 2 abzuführen. Die seitliche Begrenzung eines mit der Unterseite 12 kontaktierbaren Kühlkörpers 2 ist gestrichelt dargestellt. Auf der Unterseite 12 sind mehrere Positionierelemente 15a, 15b, 15c vorgesehen, die als Vorsprünge ausgebildet sind, welche die erste Wärmekontaktfläche 13 in Richtung des zu montierenden Kühlkörpers 2 überragen. In den seitlichen Richtungen etwa in der Mitte des Moduls 1 weist dieses eine einzige, zentrale Befestigungsöffnung 1b auf, die senkrecht zur ersten Wärmekontaktfläche 13 durch das gesamte Modul 1 hindurch verläuft.
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1B zeigt einen Vertikalschnitt des in 1A gezeigten Leistungshalbleitermoduls in einer in 1A dargestellten Schnittebene E1, wobei ergänzend ein Kühlkörper 2 gezeigt ist, sowie eine als Schraube ausgebildetes Befestigungsmittel 7, das dazu dient, das Modul 1 und den Kühlkörper 2 fest miteinander zu verbinden. Anstelle von nur genau einem Verbindungsmittel können – wie bei allen anderen Ausgestaltungen – auch zwei oder mehr Verbindungsmittel zur Verbindung des Leistungshalbleitermoduls 1 mit dem Kühlkörper 2 vorgesehen sein.
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Der Kühlkörper 2 weist eine Oberseite 21 und eine der Oberseite 21 gegenüberliegende Unterseite 22 auf. Die Oberseite 21 besteht größtenteils aus einer ebenen oder zumindest annähernd ebenen zweiten Wärmekontaktfläche 23, die mit der ersten Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 in thermischen Kontakt gebracht werden soll, um das Leistungshalbleitermodul 1 während des Betriebs zu entwärmen. Die in dem Modul 1 anfallende Wärme kann beispielsweise durch Leistungshalbleiterchips 1c, z. B. IGBTs, Dioden, Thyristoren, MOSFETs, JFETs oder beliebige andere Leistungshalbleiterchips, verursacht werden. Bei dem Leistungshalbleitermodul 1 sind die Leistungshalbleiterchips 1c auf Schaltungsträgern 1s montiert. Bei diesen Schaltungsträgern 1s kann es sich z. B. um ein- oder zweiseitig metallisierte Keramikplättchen, beispielsweise um DCB-Substrate (DCB = Direct Copper Bonding), um DAB-Substrate (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder um AMB-Substrate (AMB = Active Metal Brazing) handeln, auf die die Leistungshalbleiterchips 1c aufgesetzt sind.
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Zu jedem der Positionierelemente 15a, 15b, 15c weist der Kühlkörper 2 ein korrespondierendes, beispielhaft als Vertiefung in dem Kühlkörper 2 ausgebildetes zweites Positionierelement 25a, 25b bzw. 25c auf. Die ersten Positionierelemente 15a, 15b und 15c des Leistungshalbleitermoduls 1 sind so geformt und/oder so auf der Unterseite 12 verteilt angeordnet, dass das Leistungshalbleitermodul 1 nur in einer einzigen, eindeutigen Position auf dem Kühlkörper 2 unter gleichzeitiger Herstellung eines thermischen Kontaktes zwischen der ersten Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 und der zweiten Wärmekontaktfläche 23 des Kühlkörpers 2 montiert werden kann.
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Beim Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls 1 auf die Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 wird das Leistungshalbleitermodul 1 so ausgerichtet, dass die erste Wärmekontaktfläche 13 und die zweite Wärmekontaktfläche 23 einander zugewandt sind und dass jedes der ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c des Leistungshalbleitermoduls 1 dem korrespondierenden zweiten Positionierelement 25a, 25b bzw. 25c des Kühlkörpers 2 gegenüber liegt. Nach dem Ausrichten Leistungshalbleitermoduls 1 relativ zum Kühlkörper 2 wird das Leistungshalbleitermodul 1 auf den Kühlkörper 2 aufgesetzt, wobei jedes der ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c mit dem korrespondierenden zweiten Positionierelement 25a, 25b bzw. 25c ineinander greift. Dann wird das Leistungshalbleitermodul 1 mit Hilfe des Befestigungsmittels 7 fest mit dem Kühlkörper 2 verbunden. Hierzu weist der Kühlkörper 2 eine Gewindebohrung 2b auf, deren Gewinde in 1B nicht gezeigt ist.
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Bei dem Leistungshalbleitermodul 1 gemäß den 1A und 1B sind die Positionierelemente 15a und 15b als Stifte mit unterschiedlichen Durchmessern und das Positionierelement 15c als länglicher Steg ausgebildet. Entsprechend sind die korrespondierenden zweiten Positionierelemente des Kühlkörpers 2 als Vertiefungen 25a bzw. 25b mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. als längliche Nut 25c ausgebildet. Die Geometrien der ersten Positionierelemente 15a, 15b und 15c des Leistungshalbleitermoduls 1 sind so auf die Geometrien der korrespondierenden zweiten Positionierelemente 25a, 25b bzw. 25c abgestimmt, dass jedes der ersten Positionierelemente 15a, 15b und 15c mit einem korrespondierenden zweiten Positionierelement 25a, 25b bzw. 25c ineinander greift.
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In der Ansicht gemäß 1B sind die Positionen des ersten Positioniermittels 15b sowie der zweiten Positioniermittel 25a und 25b nicht erkennbar und deshalb nur gestrichelt dargestellt.
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Die Form und die Anordnung der ersten Positionierelemente 15a, 15b, und 15c auf der Unterseite 12 des Leistungshalbleitermoduls 1 und die Form und die Anordnung der zweiten Positionierelemente 25a, 25b und 25c an der Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich können die Form und die Anordnung der ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c auf der Unterseite 12 des Leistungshalbleitermoduls und der zweiten Positionierelemente 25a, 25b und 25c auf der Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 beliebig gewählt werden, solange gewährleistet ist, dass das Leistungshalbleitermodul 1 – bezogen auf jede mögliche zur ersten Wärmekontaktfläche 13 und zur zweiten Wärmekontaktfläche 23 senkrecht verlaufende Rotationsachse – nur in einer Drehposition so auf der Oberseite des Kühlkörpers 2 aufgesetzt werden kann, dass jedes der ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c mit dem korrespondierenden zweiten Positionierelement 25a, 25b bzw. 25c ineinander greift.
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Um nur eine einzige mögliche Drehposition zu gewährleisten, können z. B. zumindest eines oder zumindest zwei der Positionierelemente aus der Gesamtheit der ersten und zweiten Positionierelemente als länglicher, sich parallel zur ersten und/oder zweiten Wärmekontaktfläche 13 bzw. 23 erstreckender Steg ausgebildet sein.
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Ebenso können beispielsweise zumindest drei Positionierelemente aus der Gesamtheit der ersten und zweiten Positionierelemente als Stifte ausgebildet sein.
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2A zeigt die Unterseite 12 eines Leistungshalbleitermoduls 1, das sich von dem Leistungshalbleitermodul 1 gemäß 1A dadurch unterscheidet, dass die ersten Positionierelemente 16a, 16b bzw. 16c nicht wie die ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c gemäß 1A als Vorsprünge, sondern als Vertiefungen bezogen auf die erste Wärmekontaktfläche 13 ausgebildet sind.
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2B zeigt einen Vertikalschnitt durch das Leistungshalbleitermodul 1 gemäß 2A in einer Schnittebene E2, sowie zusätzlich einen Kühlkörper 2, auf dem das Leitungshalbleitermodul 1 mit Hilfe eines als Schraube ausgebildeten Befestigungsmittels 7 befestigt werden soll.
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In der Ansicht gemäß 2B ist zu erkennen, dass die ersten Positionierelemente 16a, 16b und 16c – bezogen auf die erste Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 – als Vertiefungen im Leistungshalbleitermodul 1 ausgebildet sind. Entsprechend sind die zu den ersten Positionierelementen 16a, 16b und 16c korrespondierenden zweiten Positionierelemente 26a, 26b bzw. 26c – bezogen auf die zweite Wärmekontaktfläche 23 des Kühlkörpers 2 – als Vorsprünge ausgebildet, die sich über die zweite Wärmekontaktfläche 23 hinaus in Richtung des auf diese aufzusetzenden Leistungshalbleitermoduls 1 erstrecken.
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Während bei den Leistungshalbleitermodulen 1 und den Kühlkörpern 2 gemäß den 1A, 1B, 2A, und 2B die ersten Positionierelemente 15a, 15b, 15c bzw. 16a, 16b, 16c vom seitlichen Rand der Unterseite 12 des Leistungshalbleitermoduls 1, und die zweiten Positionierelemente 25a, 25b, 25c bzw. 26a, 26b, 26c vom seitlichen Rand der Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 beabstandet sind, sind bei dem Leistungshalbleitermodul 1 gemäß 3 die ersten Positionierelemente 17a, 17b, 17c des Leistungshalbleitermoduls 1 unmittelbar am seitlichen Rand von dessen Unterseite 12 angeordnet. 3A zeigt – wie die 1A und 2A – das Leistungshalbleitermodul 1 mit Blick auf dessen Unterseite 12 ohne montierten Kühlkörper. Die Positionierelemente 17a und 17b, welche als stiftartige Vorsprünge ausgebildet sind, und das Positionierelement 17c, welches als stegartiger Vorsprung ausgebildet ist, erstrecken sich über die erste Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 in Richtung des zu montierenden Kühlkörpers hinaus.
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3B zeigt eine Seitenansicht des in 1 dargestellten, auf einen Kühlkörper 2 aufgesetzten Leistungshalbleitermoduls 1, 3C einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 3B in einer in den 3A und 3B gezeigten Schnittebene E3.
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In den 3B und 3C ist zu erkennen, dass jedes der als Vorsprünge ausgebildeten ersten Positionierelemente 17a, 17b und 17c des Leistungshalbleitermoduls 1 mit einem korrespondierenden, bezüglich der zweiten Wärmekontaktfläche 23 als Absenkung ausgebildeten zweiten Positionierelement 27a, 27b bzw. 27c des Kühlkörpers 2 ineinander greift, wenn die erste Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 und die zweite Wärmekontaktfläche 23 des Kühlkörpers 2 miteinander in thermischem Kontakt stehen. Bei dieser Ausgestaltung sind die ersten Positionierelemente 17a, 17b und 17c am seitlichen Rand der Unterseite 12 des Leistungshalbleitermoduls 1 und die zweiten Positionierelemente 27a, 27b bzw. 27c am seitlichen Rand der Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 angeordnet. Die ersten Positionierelemente 17a, 17b und 17c bilden eine Klammer, die das oberseitige Ende des Kühlkörpers 2 umklammert.
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4A zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Leistungshalbleitermodulsystems mit einem Leistungshalbleitermodul 1 und einem Kühlkörper 2. Der Kühlkörper 2 weist ein zweites Positionierelement 28 auf, welches beispielshaft als Stift ausgebildet ist, der sich über die zweite Wärmekontaktfläche 21 des Kühlkörpers 2 hinaus in Richtung des zu montierenden Leistungshalbleitermoduls 1 erstreckt. Das zweite Positionierelement 28 ist mittels eines Federelements 28f, beispielsweise einer Druckfeder, federnd gelagert, so dass es ganz oder teilweise in einen Aufnahmeraum 28d des Kühlkörpers 2 gegen die Druckkraft des Federelements 28f gedrückt werden kann. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist ein zu dem zweiten Positionierelement 28 korrespondierendes erstes Positionierelement 18 auf, welches – bezogen auf die erste Wärmekontaktfläche 13 – als Vertiefung in dem Leistungshalbleitermodul 1 ausgebildet ist. Anstelle einer Druckfeder 28f kann grundsätzlich auch ein anderes Federelement eingesetzt werden, das das Positionierelement 28 in Richtung des aufzusetzenden Leistungshalbleitermoduls 1 drückt.
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Setzt man das Leistungshalbleitermodul 1, wie in 4B gezeigt, so auf den Kühlkörper 2 auf, dass die erste Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls und die zweite Wärmekontaktfläche 23 des Kühlkörpers 2 einander zugewandt sind und dass das erste Positionierelement 18 des Leistungshalbleitermoduls 1 und das zweite Positionierelement 28 des Kühlkörpers 2 einander gegenüber liegen, so können das erste Positionierelement 18 und das zweite Positionierelement 28 ineinander greifen und damit – ggf. in Zusammenwirkung mit einem weiteren ersten Positionierelement des Leistungshalbleitermoduls 1, welches mit einem weiteren Positionierelement des Kühlkörpers 2 ineinander greift – die relative Drehposition des Leistungshalbleitermoduls 1 zu dem Kühlkörper 2 – bezogen auf eine zu der ersten Wärmekontaktfläche 13 und der zweiten Wärmekontaktfläche 23 senkrechte Rotationsachse – verdrehsicher festlegen.
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Die Elastizität des Federelements 28f ist so gewählt, dass die erste Wärmekontaktfläche 13 und die zweite Wärmekontaktfläche 23 – wenn das Leistungshalbleitermodul 1 lose, d. h. ohne Einwirkung einer äußeren Kraft und nur unter dem Einfluss der eigenen Gewichtskraft sinnrichtig auf den Kühlkörper 2 aufgesetzt wird – einen Abstand d aufweisen, der größer ist als die Dicke eines auf die erste Wärmekontaktfläche 13 aufgetragenen Wärmeübertragungsmediums 4. Bei dem Wärmeübertragungsmedium 4, welches als durchgehende Schicht oder – wie gezeigt – als strukturierte Schicht ausgebildet sein kann, kann es sich beispielsweise um eine Wärmeleitpaste handeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeübertragungsmedium 4 auch auf die zweite Wärmekontaktfläche 22 aufgebracht werden.
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Die Elastizität des Federelements 28f ist in jedem Fall so eingestellt, dass ein auf die erste Wärmekontaktfläche 13 und/oder auf die zweite Wärmekontaktfläche 23 aufgebrachtes Wärmeübertragungsmedium 4 an keiner Stelle eine direkte Wärmebrücke zwischen der ersten Wärmekontaktfläche 13 und der zweiten Wärmekontaktfläche 23 herstellt, wenn das Leistungshalbleitermodul 1 wie vorangehend erläutert lose auf die Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 aufgesetzt ist.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass ein auf die erste Kontaktfläche 13 und/oder die zweite Wärmekontaktfläche 23 aufgebrachtes Wärmeübertragungsmedium 4 nach dem Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls 1 auf die Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 und vor dem festen Verbinden des Leistungshalbleitermoduls 1 mit dem Kühlkörper 2 mittels eines Verbindungsmittels nicht versehentlich durch eine relative Bewegung zwischen dem Leistungshalbleitermodul 1 und dem Kühlkörper 2 verschmiert werden kann.
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Beim anschließenden Verbinden des Leistungshalbleitermoduls 1 mit dem Kühlkörper 2 unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Verbindungsmittels, beispielsweise – wie in den 1B und 2B gezeigt – mittels einer Schraube, werden das Leistungshalbleitermodul 1 und der Kühlkörper 2 aneinander gepresst, so dass das zweite Positionierelement 28 entgegen der Federkraft des Federelements 28f in den Aufnahmeraum 28d des Kühlkörpers 2 hineingedrückt wird, bis durch das zwischen den Wärmekontaktflächen 13 und 23 befindliche Wärmeübertragungsmedium 4 ein ausreichender thermischer Kontakt zwischen den Wärmekontaktflächen 13 und 23 entsteht. Hierbei wird das strukturiert aufgetragene Wärmeübertragungsmedium 4 seitlich in die Strukturierungslücken verdrängt, so dass das Wärmeübertragungsmedium 4 nach dem festen Verbinden des Leistungshalbleitermoduls 1 mit dem Kühlkörper 2 im Idealfall eine durchgehende Schicht bildet, die die erste Wärmekontaktfläche 13 und die zweite erste Wärmekontaktfläche 23 unterbrechungsfrei kontaktiert.
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Das in den 5A und 5B gezeigte Leistungshalbleitermodulsystem weist im Wesentlichen dieselben Eigenschaften auf wie das Leistungshalbleitermodulsystem gemäß den 4A und 4B, so dass die diesbezüglichen Erläuterungen auch für die Anordnung gemäß 5A und 5B gelten. Das Leistungshalbleitermodulsystem gemäß den 5A und 5B unterscheidet sich von dem Leistungshalbleitermodulsystem gemäß 4A und 4B darin, dass der Aufbau und die Wirkung eines ersten Positionierelement 19 des Leistungshalbleitermoduls 1 mit einem Federelement 19f und einem in dem Leistungshalbleitermodul 1 ausgebildeten Aufnahmeraum 19d dem Aufbau und der Wirkung des zweiten Positionierelements 28 und dessen Zusammenwirken mit dem Federelement 28f und dem Aufnahmeraum 28d gemäß den 4A und 4B entspricht, und dass das in den 5A und 5B gezeigte, zu dem ersten Positionierelement 19 korrespondierende zweite Positionierelement 29 hinsichtlich seines Aufbaus und dem Zusammenwirken mit dem Positionierelement 19 dem ersten Positionierelement 18 und dessen Zusammenwirken mit dem Positionierelement 28 gemäß den 4A und 4B entspricht.
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Abweichend von den vereinfachten Darstellungen gemäß den 4A, 4B, 5A, 5B können die in diesen Figuren gezeigten beweglichen Positionierelemente 28 bzw. 19 durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Rastelemente oder durch seitliche, an den beweglichen Positionierelementen 19 bzw. 28 ausgebildete Führungsnasen, welche in korrespondierende, in den Seitenwänden des entsprechenden Aufnahmeraums 28d bzw. 19d eingebrachte Nute eingreifen, verliersicher mit dem Kühlkörper 2 bzw. mit dem Leistungshalbleitermodul 1 verbunden sein.
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6 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermodulsystems mit einem beweglich gelagerten ersten Positionierelement 14. Das Positionierelement 14 ist mittels eines Federelements 14f, welches durch einen federnden Abschnitt des Gehäuses 1a des Leistungshalbleitermoduls 1 gebildet ist, mit dem Leistungshalbleitermodul 1 verbunden. Aufgrund der Elastizität des Federelements 14f kann das Positionierelement 14 unter Einwirkung einer äußeren Kraft vollständig, d. h. zumindest bis auf das Niveau der ersten Wärmekontaktfläche 13, in den Aufnahmeraum 14d gedrückt werden.
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Die Elastizität des Federelements 14f ist so bemessen, dass die erste Wärmekontaktfläche 13 von der zweiten Wärmekontaktfläche 23 beabstandet ist, wenn das Leistungshalbleitermodul 1 lose, d. h. nur unter Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft, derart auf die Oberseite 21 des Kühlkörpers 2 aufgesetzt wird, dass das erste Positionierelement 14 in ein korrespondierendes, als Vertiefung ausgebildetes zweites Positionierelement 24 des Kühlkörpers 2 so eingesetzt wird, dass das erste Positionierelement 14 und das zweite Positionierelement 24 zumindest teilweise ineinander greifen. Ebenso wie bei den Anordnungen gemäß den 1B, 2B, 3B, 3C, 4A, 4B, 5A, 5B sowie allen Leistungshalbleiermodulsystemen gemäß der vorliegenden Erfindung – kann vor der Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 auf dem Kühlkörper 2 auf die erste Wärmekontaktfläche 13 des Leistungshalbleitermoduls 1 und/oder auf die zweite Wärmekontaktfläche 23 des Kühlkörper 2 noch ein in 6 nicht dargestelltes Wärmeübertragungsmedium aufgebracht werden, um den Wärmekontakt zwischen der ersten Wärmekontaktfläche 13 und der zweiten Wärmekontaktfläche 23 zu optimieren.
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Anhand der nachfolgenden 7A und 7B wird gezeigt, auf welche Weise das Auftragen eines Wärmeübertragungsmediums 4 auf die erste Wärmekontaktfläche 13 des in 6 gezeigten Leistungshalbleitermoduls 1 bei einem beweglichen Positionierelement 14 folgen kann.
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Wie in 7A dargestellt ist, wird hierzu auf die Unterseite 12 des Leistungshalbleitermoduls 1 ein mit Öffnungen 31 versehenes Sieb 3 oder alternativ eine mit Öffnungen versehene Schablone aufgedrückt, so dass das erste Positionierelement 14 unter Einwirkung der Anpresskraft F des Siebs 3 unter Vorspannung des Federelements 14f vollständig oder zumindest teilweise in den Aufnahmeraum 14d gedrückt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Sieb 3 bzw. die Schablone auf der ersten Wärmekontaktfläche 13 aufliegt oder zu dieser einen Abstand aufweist, der ausreichend klein ist, um ein Auftragen eines pastenartigen Wärmeübertragungsmediums 4 unter Verwendung des Siebs 3 bzw. der Schablone zu ermöglichen.
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Das auf das Sieb 3 oder die Schablone aufgebrachte Wärmeleitmedium kann nun, beispielsweise mittels eines Rakels 5, auf der Oberseite des Siebs 3 abgezogen werden, so dass das Wärmeübertragungsmedium 4 die Öffnungen 31 des Siebs 3 oder Schablone verfüllt.
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Nach dem Abnehmen des Siebs 3 oder Schablone von der ersten Wärmekontaktfläche 13 verbleibt auf der ersten Wärmekontaktfläche 13 eine entsprechend den Öffnungen 31 strukturierte Schicht aus dem Wärmeübertragungsmedium 4. Das erste Positionierelement 14 federt nach dem Abnehmen des Siebs 3 oder der Schablone wieder in seine in 6 gezeigte Ausgangslage zurück.
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Bei geeigneter Ausgestaltung kann jedes beliebige bewegliche Positionierelement eines Leistungshalbleitermoduls 1, wenn auf dessen Wärmekontaktfläche 13 ein Wärmeübertragungsmedium 4 aufgetragen wird, vollständig oder zumindest teilweise in den zugehörigen Aufnahmeraum 14d oder 19d (siehe 5A und 5B) eingepresst werden. Außerdem kann auf die entsprechende Weise auch ein Wärmeübertragungsmedium auf die Wärmekontaktfläche 23 eines Kühlkörpers 2 bei vorübergehendem vollständigen oder teilweisen Eindrücken eines beweglichen Positionierelements 28 (siehe 4A und 4B) in einen Aufnahmeraum 28f des Kühlkörpers 2 entgegen der Federkraft eines Federelements 28d erfolgen.
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Die Erfindung wurde vorangehend anhand von Beispielen erläutert. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Insbesondere kann die Gesamtheit der ersten Positionierelemente des Leistungshalbleitermoduls sowohl ein oder mehrere Positionierelemente aufweisen die – bezogen auf die erste Wärmekontaktfläche – als Erhöhungen ausgebildet sind, als auch ein oder mehrere Positionierelemente, die als Vertiefungen oder als Absenkungen ausgebildet sind. Entsprechend kann die Gesamtheit der zweiten Positionierelemente des Kühlkörpers sowohl ein oder mehrere Positionierelemente aufweisen die – bezogen auf die zweite Wärmekontaktfläche – als Erhöhungen ausgebildet sind, als auch ein oder mehrere Positionierelemente, die als Vertiefungen oder als Absenkungen ausgebildet sind.
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Weiterhin können die ersten Positionierelemente des Leistungshalbleitermoduls und die zu diesen korrespondierenden zweiten Positionierelement des Kühlkörpers so ausgestaltet sein, dass sie keine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Leistungshalbleitermodul und dem Kühlkörper ermöglichen.
