DE102009005915A1 - Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Leistungshalbleitermodul (10) in Druckkontaktausführung beschrieben, das zur Anordnung an einem Kühlbauteil (12) vorgesehen ist. Das Leistungshalbleitermodul (10) weist mindestens ein Substrat (14) auf, an dem Leistungshalbleiterbauelemente (20) angeordnet sind. Eine Druckeinrichtung (26) dient zur Druckkontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente (20) an dem mindestens einen Substrat (14) und zur Wärmeableitung von dem Substrat (14) an das Kühlbauteil (12). Die Druckeinrichtung (26) ist als aktive Kühleinrichtung (28) ausgebildet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung zur Anordnung an einem Kühlbauteil, mit mindestens einem Substrat, auf dem Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, und mit einer Druckeinrichtung zur Druckkontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente an dem mindestens einen Substrat und zur Wärme ableitenden Anordnung des mindestens einen Substrates an dem Kühlbauteil.
- Derartige Leistungshalbleitermodule sind in verschiedenen Ausbildungen an sich bekannt. Beispielsweise beschreibt die
DE 101 21 970 B4 ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung. Dieses bekannte Leistungshalbleitermodul besteht aus einem Gehäuse, einem keramischen Substrat, schaltungsgerecht darauf vorgesehenen strukturierten und elektrisch leitenden Kontaktflächen, darauf angeordneten Bauelementen, mindestens einer die Bauelemente elektrisch verbindenden flexiblen Leiterplatte, einer Druckeinrichtung bestehend aus einem flexiblen Speicher und einer den Druck erzeugenden Druckplatte, und Leistungs- und Steueranschlüssen, wobei zur Isolation der Bauelemente gegeneinander ein flexibler Isolationsstoff vorgesehen ist, und die Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte mit den Bauelementen und/oder mit den Kontaktflächen des Substrates durch warzenartige Erhebungen derart gebildet wird, dass bei einer Druckbeaufschlagung mittels der Druckeinrichtung eine sichere elektrisch leitende Verbindung gebildet wird. Bei den Bauelementen des Leistungshalbleitermoduls kann es sich um Leistungsdioden, Leistungsthyristoren, Leistungstransistoren oder dergleichen handeln. - Ein Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung ist beispielsweise auch aus der
DE 10 2006 006 425 A1 bekannt, das zur Anordnung auf einem Kühlbauteil vorgesehen ist. - Bei den bekannten Leistungshalbleitermodulen dient die Druckeinrichtung dazu, Druck auf das mindestens eine Substrat und/oder auf die Leistungshalbleiterbauelemente auszuüben. Für eine Wärmeableitung ist die Druckeinrichtung der bekannten Leistungshalbleitermodule nicht vorgesehen sondern nur das Kühlbauteil, an welchem das mindestens eine Substrat des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem das Kühlkonzept für die Leistungshalbleiterbauelemente verbessert ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d. h. dadurch gelöst, dass die Druckeinrichtung als aktive Kühleinrichtung ausgebildet ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul dient also nicht nur das Kühlbauteil auf der einen Seite des mindestens einen Substrates sondern außerdem auch die Druckeinrichtung auf der vom Kühlbauteil abgewandten Seite des Leistungshalbleitermoduls als ein Wärme ableitendes Element, so dass das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul mit einer vergleichsweise großen Leistung betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass infolge der Verbesserung der Kühlung auch die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls verlängert ist. Gegebenenfalls sind mit dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul auch die Einbaumöglichkeiten günstiger, weil der Einbauraum für das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul kleiner sein kann, weil das Kühlbauteil kleinervolumig ausgebildet sein kann.
- Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul kann die aktive Kühleinrichtung der Druckeinrichtung von einem Kühlmedium durchflossen sein. Bei dem Kühlmedium der aktiven Kühleinrichtung der Druckeinrichtung kann es sich um eine Kühlflüssigkeit handeln. Bei dieser Kühlflüssigkeit kann es sich zum Beispiel um ein Gemisch aus Wasser und Glykol handeln.
- Desgleichen ist es möglich, dass die aktive Kühleinrichtung der Druckeinrichtung eine Heatpipe aufweist, wie sie beispielsweise in Laptops und PCs zur Anwendung gelangt.
- Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul kann die aktive Kühleinrichtung der Druckeinrichtung zur Druckkontaktierung von Kontaktelementen an den Leistungshalbleiterbauelementen und/oder an einer Schaltungsstruktur des mindestens einen Substrates und/oder zur Druckkontaktierung von Lastanschlusselementen mit der Schaltungsstruktur des mindestens einen Substrates vorgesehen sein. Dabei können die Kontaktelemente an einer flexiblen Leiterplatte – ähnlich wie in der eingangs zitierten
DE 101 21 970 B4 beschrieben – vorgesehen sein. Die Lastanschlusselemente können jeweils einen zu dem mindestens einen Substrat parallelen bandartigen Abschnitt aufweisen, von dem ein Kontaktfuß – wie in der ebenfalls eingangs zitiertenDE 10 2006 006 425 A1 beschrieben worden ist – wegsteht. Die Anschlusselemente sind derartig vorgesehen, dass die Kontaktfüße der Anschlusselemente alle in die gleiche Richtung wegstehen. - Die aktive Kühleinrichtung der Druckeinrichtung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls kann ein Brückenelement bilden, das mit einer Druckplatte und einem elastischen Druckspeicher kombiniert ist, wobei die Druckplatte mit dem Kühlbauteil mechanisch verspannt ist.
- Unabhängig von der jeweiligen speziellen Ausbildung weist das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul die Vorteile einer zweiseitigen und somit verbesserten Kühlung auf, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente mit einer höheren Leistung betrieben werden können, wobei dieser Vorteil mit dem Vorteil einer vergleichsweise langen Lebensdauer der Leistungshalbleiterbauelemente einhergeht.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls, wobei es sich versteht, dass die Erfindung nicht auf die schematisch gezeichneten Ausführungsformen beschränkt, sondern durch die Ansprüche bestimmt ist.
- Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls, -
2 in einer der1 ähnlichen schematischen Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls, und -
3 in einer den1 und2 ähnlichen schematischen Schnittdarstellung eine dritte Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls. -
1 zeigt eine Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls in Druckkontaktausführung, das zur Anordnung an einem abschnittweise gezeichneten Kühlbauteil12 vorgesehen ist. Das Leistungshalbleitermodul10 weist ein Substrat14 auf, bei dem es sich um eine DCB (Direct Copper Bonding) handelt. Das Substrat14 weist einseitig großflächig eine Metalllage16 auf. An der gegenüberliegenden anderen Seite des Substrates14 ist eine strukturierte Metalllage, d. h. eine Schaltungsstruktur18 , vorgesehen. Auf der Schaltungsstruktur18 sind Leistungshalbleiterbauelemente20 vorgesehen. Zur Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente20 mit der Schaltungsstruktur18 ist eine flexible Leiterplatte22 vorgesehen, die Kontaktnoppen24 aufweist. Die flexible Leiterplatte22 wird mit Hilfe einer Druckeinrichtung26 gegen die Leistungshalbleiterbauelemente20 und gegen die Schaltungsstruktur18 des Substrates14 gedrückt, um eine Druckkontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente20 an dem Substrat14 zu bewirken. Die Druckeinrichtung26 dient gleichzeitig zur Wärme ableitenden Anordnung des Substrates14 an dem Kühlbauteil12 . - Die Druckeinrichtung
26 ist als aktive Kühleinrichtung28 ausgebildet. Zu diesem Zwecke ist die aktive Kühleinrichtung28 mit einem Hohlraum30 ausgebildet, in welchen eine Zuleitung32 einmündet und aus welchem eine Rohrleitung34 ausmündet. Durch die Zuleitung32 wird in den Hohlraum30 ein Kühlmedium eingeleitet, bei dem es sich um eine Kühlflüssigkeit handelt. - Die Verlustwärme der Leistungshalbleiterbauelemente
20 wird also nicht nur an das Kühlbauteil12 sondern außerdem auch an die aktive Kühleinrichtung28 abgegeben, d. h. die im Hohlraum30 befindliche Kühlflüssigkeit wird erwärmt und die erwärmte Kühlflüssigkeit durch die Rohrleitung34 aus der aktiven Kühleinrichtung28 ausgeleitet. Gleichzeitig wird frische Kühlflüssigkeit durch die Zuleitung32 der aktiven Kühleinrichtung28 zugeführt. - Die eine aktive Kühleinrichtung
28 bildende Druckeinrichtung26 bildet ein Brückenelement36 , das mit einer Druckplatte38 und einem elastischen Druckspeicher40 ausgebildet ist, wobei der elastische Druckspeicher40 zwischen der Druckplatte38 und der aktiven Kühleinrichtung28 angeordnet und die Druckplatte38 mit dem Kühlbauteil12 mechanisch verspannt ist. Diese mechanische Verspannung ist durch dünne strichpunktierte Linien42 schematisch angedeutet. -
2 zeigt eine Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls10 , das sich von dem in1 gezeichneten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass Lastanschlusselemente44 dargestellt sind, die jeweils einen zum Substrat14 parallelen bandartigen Abschnitt46 und einen von diesem weg stehenden Kontaktfuß48 aufweisen. Die bandartigen Abschnitte46 sind gegeneinander und gegen die eine aktive Kühleinrichtung28 bildende Druckeinrichtung26 elektrisch isoliert. - Gleiche Einzelheiten sind in
2 mit denselben Bezugsziffern wie in1 bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit2 alle Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben. -
3 zeigt in einer den1 und2 ähnlichen schematischen Darstellung eine Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls10 in Druckkontaktausführung zur Anordnung an einem Kühlbauteil12 . Mit dem Kühlbauteil12 ist eine Druckeinrichtung26 mechanisch verspannt, die eine Druckplatte38 , einen elastischen Druckspeicher40 und ein Brückenelement36 mit einem Hohlraum30 aufweist. Das Brückenelement36 bildet eine aktive Kühleinrichtung28 , die z. B. auf Lastanschlusselemente und über diese auf Leistungshalbleiterbauelemente20 drückt. Zwischen dem Brückenelement36 und den Leistungshalbleiterelementen20 ist eine Isolationslage50 vorgesehen, wie sie beispielsweise in derDE 10 2005 053 400 A1 beschrieben ist. - Gleiche Einzelheiten sind auch in
3 mit denselben Bezugsziffern wie in den1 und2 bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit3 alle Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben. -
- 10
- Leistungshalbleitermodul
- 12
- Kühlbauteil
(für
10 ) - 14
- Substrat
(von
10 ) - 16
- Metalllage
(an
14 ) - 18
- Schaltungsstruktur
(an
14 für20 ) - 20
- Leistungshalbleiterbauelement
- 22
- flexible
Leiterplatte (von
10 ) - 24
- Kontaktnoppen
(von
22 ) - 26
- Druckeinrichtung
(von
10 ) - 28
- aktive
Kühleinrichtung (von
26 ) - 30
- Hohlraum
(in
28 ) - 33
- Zuleitung
(für
30 ) - 34
- Rohrleitung
(für
30 ) - 36
- Brückenelement
(von
10 für26 ) - 38
- Druckplatte
(von
26 ) - 40
- elastischer
Druckspeicher (von
26 ) - 42
- strichpunktierte
Linie/mechanische Verspannung (zwischen
38 und12 ) - 44
- Lastanschlusselemente
(von
10 ) - 46
- bandartige
Abschnitt (von
44 ) - 48
- Kontaktfüße
(von
44 ) - 50
- Isolationslage
(zwischen
36 und20 ) - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10121970 B4 [0002, 0010]
- - DE 102006006425 A1 [0003, 0010]
- - DE 102005053400 A1 [0024]
Claims (9)
- Leistungshalbleitermodul in Druckkontaktausführung, zur Anordnung an einem Kühlbauteil (
12 ), mit mindestens einem Substrat (14 ), an dem Leistungshalbleiterbauelemente (20 ) angeordnet sind, und mit einer Druckeinrichtung (26 ) zur Druckkontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente (20 ) an dem mindestens einen Substrat (14 ) und zur Wärme ableitenden Anordnung des mindestens einen Substrates (14 ) an dem Kühlbauteil (12 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (26 ) als aktive Kühleinrichtung (28 ) ausgebildet ist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (
28 ) der Druckeinrichtung (26 ) von einem Kühlmedium durchflossen ist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium der aktiven Kühleinrichtung (
28 ) von einer Kühlflüssigkeit gebildet ist. - Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (
28 ) der Druckeinrichtung (26 ) eine aktive Luftkühlung aufweist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (
28 ) der Druckeinrichtung (26 ) eine Heatpipe aufweist. - Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (
28 ) der Druckeinrichtung (26 ) zur Druckkontaktierung von Kontaktelementen (24 ) an den Leistungshalbleiterbauelementen (20 ) und an der Schaltungsstruktur (18 ) des mindestens einen Substrates (14 ) und/oder zur Druckkontaktierung von Lastanschlusselementen (44 ) mit der Schaltungsstruktur (18 ) des mindestens einen Substrates (14 ) vorgesehen ist. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (
24 ) an einer flexiblen Leiterplatte (22 ) vorgesehen sind. - Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastanschlusselemente (
44 ) jeweils einen zum mindestens einen Substrat (14 ) parallelen bandartigen Abschnitt (46 ) aufweisen, von dem ein Kontaktfuß (48 ) wegsteht. - Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühleinrichtung (
28 ) der Druckeinrichtung (26 ) ein Brückenelement (36 ) bildet, das mit einer Druckplatte (38 ) und einem elastischen Druckspeicher (40 ) kombiniert ist, wobei die Druckplatte (38 ) mit dem Kühlbauteil (12 ) mechanisch verspannt ist.
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