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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ein Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper sowie eine Anordnung aus beidem. Das Gehäuse umfasst Mittel zur sogenannten Druckkontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements. Im Hinblick auf die gerade in der Leistungshalbleiterelektronik auftretenden Probleme bei thermischen Wechsellasten wurden zur Kontaktierung hochspannungsfester und hochstromfester Bauelemente derartige Druckkontakte entwickelt. Beispiele für solche hochspannungsfesten Halbleiterbauelemente sind Hochvolt-Thyristoren, die die zentralen Bauelemente in Hochspannungsumrichtern zur Verteilung elektrischer Energie sind. Insbesondere für solche Anlagen gelten hohe Anforderungen an die Bauelemente-Zuverlässigkeit.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente oder dergleichen werden auf einem die elektronischen Bauelemente aufnehmenden Träger durch federvorgespannte Druckkontakte oder dergleichen kontaktiert. Dabei erfolgt auch die Herstellung und Aufrechterhaltung eines mechanischen und somit elektrischen Kontakts zwischen einem Kontaktbereich eines elektronischen Bauelements und einem den Strom führenden Kontakt im Wesentlichen durch die mechanisch aufgebrachten Kräfte. Dies hat den Vorteil, dass durch eine entsprechende Einstellung der mechanischen Kräfte – zum Beispiel über Spannvorrichtungen oder über Federeinrichtungen – den thermischen Wechsellasten wegen der mit dieser mechanischen Fixierung verbundenen mechanischen Toleranzen ausreichend Rechnung getragen werden kann.
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Das Halbleiterbauelement steht zur Vermeidung möglicher Schäden durch Überhitzen ferner in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlkörper. Mittels des Kühlkörpers wird die Größe der wärmeabgebenden Fläche erhöht und damit der Wärmeübergang von dem Halbleiterbauelement auf das umgebende Medium, wie Luft, verbessert. Bei den bekannten Gehäusen ist eine metallische druckaufnehmende Platte vorhanden, die einerseits in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterbauelement und andererseits mit dem Kühlkörper steht. Bei den vorhandenen Gehäusen dient die druckaufnehmende Platte, auch Druckplatte genannt, nicht nur dem Wärmeübergang zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper sondern in erster Linie als Widerlager für die Druckkontaktierungsmittel. Sie besteht beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und wird zur Sicherstellung einer elektrischen Kontaktierung des Bauelements mit einem Anpressdruck von beispielsweise 10 bis 20 MPa beaufschlagt. Da die Wärme über und durch diese Platte abgeführt werden muss, beeinträchtigt deren Wärmeleitwiderstand prinzipiell die Wärmeabfuhr. Aber in der Praxis stellt sich zudem das Problem eines unzureichenden thermischen Kontakts zwischen dieser Platte und dem Kühlkörper. Zur Vermeidung von Verbiegungen aufgrund der Spannkräfte und den somit anliegenden Biegemomenten ist die druckaufnehmende Platte beim Stand der Technik nämlich vergleichsweise starr ausgelegt, mit dem Nachteil, dass diese Platte nicht mal geringe Abweichungen von der vorgegebenen Form des Berührbereichs, wie Rauigkeiten oder durch die vorgenannten Verbiegungen entstehende Abweichungen, zwischen dem Kühlkörper und dieser Platte auszugleichen vermag. Somit besteht die Gefahr, dass der Wärmeübergang von dem Leistungshalbleiterbauelement auf den Kühlkörper beeinträchtigt ist. Aufgrund des thermischen Widerstands besteht die Gefahr der Zerstörung und Ausfalls des Leistungshalbleiterbauelements.
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Die
DE 31 42576 A1 ,
DE 10 2006 014 145 A1 ,
US 4853762A und
US4218695A offenbaren jeweils ein Modul für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper, welches wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement, Kontaktierungsmittel, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement zu kontaktieren, Vorspannmittel, die ausgelegt sind, die Kontaktierungsmittel gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorzuspannen, und Befestigungsmittel zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper aufweist
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Vor diesem Hintergrund dieser Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Modul für einen Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper sowie eine betreffende Anordnung aus beidem bereitzustellen, mittels derer der Wärmeübergang zwischen Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper verbessert oder sichergestellt wird und insbesondere beide preiswerter herzustellen sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Modul mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung und ein Montageverfahren sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Der vorliegenden Erfindung betrifft ein Modul für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement zur Befestigung an einem Kühlkörper, um so die Abwärme des Leistungshalbleiterbauelements über eine Koppelfläche in den Kühlkörper einzukoppeln. Hinsichtlich des Leistungshalbleiterbauelements und deren Anzahl ist die Erfindung nicht beschränkt. Bevorzugt ist es ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxid halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Diode, beispielsweise eine Schottky-Diode, ein J-FET, ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, ein Gate-Communicated-Thyristor, ein TRIAC, ein DIAC oder ein Fotothyristor ist. Bei mehreren Leistungshalbleiterbauelementen ist jede Kombination daraus erfindungsgemäß umfasst. Beispielsweise weist das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement eine scheibenförmige Gestalt auf, wobei eine der flachen Hauptseiten dem Kühlkörper zugewandt sein soll. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind beispielsweise als Halbbrücke, Vollbrücke oder Drehstrombrücke verschaltet.
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Optional und bevorzugt ist ferner ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem nicht leitenden, hochspannungsfesten Kunststoff (z. B. Duroplast) vorgesehen, das eine Aufnahme, beispielsweise einen Durchbruch, für das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement, aufweist. Der Durchbruch ist beispielsweise so ausgestaltet, dass er das Leistungshalbleiterbauelement im Querschnitt formschlüssig aufnimmt und sich senkrecht zur dem Kühlkörper zugewandten Berühr- bzw. Koppelfläche erstreckt. Das Gehäuse bzw. die Aufnahme dient beispielsweise zur Aufnahme eines nicht leitenden Füllstoffs, beispielsweise eines ursprünglich fließfähigen, aber aushärtbaren Füllstoffs, um das wenigstens eine Bauelement in dem Gehäuse „einzugießen”.
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Erfindungsgemäß zwingend sind ferner Kontaktierungsmittel vorgesehen, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement, das sich beispielsweise in der Aufnahme des optional vorhandenen Gehäuses befindet, elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise weisen die Kontaktierungsmittel wenigstens einen flächigen Kontaktbereich zur Berührkontaktierung des Bauelements auf und sind an ihrem anderen Ende entsprechend der gewünschten Verbindungstechnik, beispielsweise als männlicher Steckkontakt und/oder Schraubverbindung, ausgebildet.
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Erfindungsgemäß sind ferner Vorspannmittel vorgesehen, die die Kontaktierungsmittel gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorspannen. Beispielsweise sind die Kontaktierungsmittel wenigstens teilweise zwischen dem Vorspannmittel und dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet.
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Erfindungsgemäß sind ferner Befestigungsmittel zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper vorgesehen. Diese können ganz oder teilweise separat ausgebildet sein und am Kühlkörper befestigt werden. Beispielsweise handelt es sich u. a. um eine Schraube, die in ein Schraubgewinde des Kühlkörpers einschraubbar ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Befestigungsmittel am Kühlkörper ausgebildet; beispielsweise ist eine das Vorspannmittel aufnehmende Nut am Kühlkörper vorgesehen.
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Erfindungsgemäß übernehmen die Vorspannmittel wenigstens sowohl die Funktion der elektrischen Druckkontaktierung als auch die der thermischen Kontaktierung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper, indem diese beispielsweise so angeordnet sind, dass nach der Montage das Leistungshalbleiterbauelement und die Kontaktierungsmittel zwischen dem Kühlkörper und dem Vorspannmittel eingespannt sind. Die Vorspannmittel dienen ferner der Lagefixierung des Leistungshalbleiterbauelements und damit auch des Gehäuses, sofern dieses vorgesehen ist, an dem Kühlkörper. Dadurch, dass ein Widerlager für die Druckkontaktierung, beispielsweise die druckaufnehmende Platte, entfällt, können Komponenten eingespart werden, es wird eine kostengünstige Gesamtkonstruktion erreicht. Ferner kann die Strecke für den Wärmeübergang vom Leistungshalbleiterbauelement auf den Kühlkörper, beispielsweise durch Wegfall der druckaufnehmenden Platte, verkürzt werden. Der Aufbau wird vereinfacht und in der Herstellung preisgünstiger, und es wird Raum geschaffen, weitere elektrische Kontaktierungen des Leistungshalbleiterbauelements vorzusehen, beispielsweise ist eine Kontaktierung kühlkörperseitig, d. h. auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungshalbleiterbauelements, ermöglicht. Durch Wegfall des Widerlagers für die Vorspannmittel entfällt vorteilhaft die sich dadurch ergebende Begrenzung hinsichtlich der Größe und Form des Leistungshalbleiterbauelements. Ferner sind die Anforderungen an die mechanische Stabilität des Gehäuses geringer. Es bleiben die prinzipiellen Vorteile der erfindungsgemäß vorgesehenen Druckkontaktierung erhalten, nämlich dass auf eine Lotkontaktierung verzichtet werden kann, die den Nachteil hat, dass sie weniger thermisch stabil ist. Die Druckkontaktierung stellt ferner sicher, dass im Fehlerfall beim sogenannten Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements sich ein zu detektierender Kurzschluss ausbildet.
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Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäß vorzusehende Vorspannmittel einen das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement übergreifenden Spannbügel. Der Spannbügel, beispielsweise aus Federstahl, sorgt für einen über die Berührfläche zwischen Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper homogeneren Anpressdruck. Dadurch wird der Wärmeübergang verbessert. Ferner kann der in der Regel metallische Spannbügel zur Wärmeabfuhr herangezogen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Auslegung des Moduls kann vorteilhaft eine insbesondere starre druckaufnehmende Platte als Widerlager entfallen. Allenfalls ist erfindungsgemäß aber optional eine Zwischenplatte vorgesehen, deren Ausdehnung wenigstens den betreffenden Querschnitten des oder der Leistungshalbleiterbauelemente entspricht.
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Bevorzugt umfasst das Gehäuse eine duktile, thermisch leitfähige Zwischenplatte zur Anordnung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper. Beispielsweise ist die Zwischenplatte aus Kupfer. Die duktile Zwischenplatte verbessert den Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Leistungshalbleiterbauelement, da sie aufgrund ihrer höheren Plastizität im Vergleich zum Kühlkörpermaterial bzw. Leistungshalbleiterbauelement Unebenheiten im Berührbereich auszugeichen vermag.
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Bevorzugt umfassen die Befestigungsmittel wenigstens eine das Vorspannmittel durchgreifende Schraubverbindung. Bevorzugt ist mittels der Befestigungsmittel die Vorspannung einstellbar ist. Somit kann der Druck zur thermischen und elektrischen Kontaktierung bei der Montage des Gehäuses an den Kühlkörper durch die Befestigungsmittel, beispielsweise die Schraubverbindung, ein- und/oder nachgestellt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einem Modul in einer der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und einem Kühlkörper, beispielsweise einem Rippenkühlkörper. Dieser besteht beispielsweise aus Aluminium.
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Bevorzugt ist aufgrund der sich dadurch ergebenden besseren Wärmeübertragung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper eine wärmeleitende, elektrische Isolierung vorgesehen. Alternativ ist das Leistungshalbleiterbauelement an den Kühlkörper unmittelbar angrenzend angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Moduls zum Schalten, Regeln und/oder Gleichrichten von elektrischem Strom, insbesondere von Strömen bis 800 A und Spannungen bis 3600 V.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Montageverfahren für ein Leistungshalbleitermodul mit Kühlkörper mit den Schritten: Optionales Bereitstellen eines Gehäuse für wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement; Bereitstellen eines Kühlkörpers; Bereitstellen wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelements; Aufbringen des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelements auf den Kühlkörper; Bereitstellen von Kontaktierungsmitteln, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement elektrisch zu kontaktieren; Anbringen und/oder Bereitstellen von Befestigungsmitteln an dem Kühlkörper; Befestigen der Vorspannmittel an dem Kühlkörper mittels der Befestigungsmittel, wobei die Vorspannmittel die Kontakte gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorspannen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Montage des Vorspannmittels wenigstens sowohl die thermische als auch elektrische Kontaktierung vollzogen wird. Dadurch, dass ein Widerlager für die Vorspannmittel, beispielsweise am Gehäuse, entfällt, können Komponenten eingespart werden, es wird somit eine kostengünstige Gesamtkonstruktion erreicht, der Wärmeübergang auf den Kühlkörper kann durch Verkürzung der Strecke und/oder weniger Berührkontakte vereinfacht werden und ist zuverlässiger. Der Aufbau wird vereinfacht, und es wird Raum geschaffen, weitere Kontaktierung des Leistungshalbleiterbauelements vorzusehen. Beispielsweise ist eine Kontaktierung kühlkörperseitig, d. h. auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite des Leistungshalbleiterbauelements, ermöglicht. Durch Wegfall des Widerlagers für die Vorspannmittel entfällt die sich durch das Widerlager ergebende Begrenzung der Größe und Form des Leistungshalbleiterbauelements. Die erfindungsgemäß vorgesehene Druckkontaktierung hat den Vorteil, dass auf Lotkontaktierung verzichtet werden kann, die den Nachteil hat, dass sie weniger thermisch stabil ist. Die Druckkontaktierung stellt ferner sicher, dass im Fehlerfall beim sogenannten Durchlegieren des Leistungshalbleiterbauelements sich ein zu detektierender Kurzschluss ausbildet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch:
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1 eine perspektivische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Moduls 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung;
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2 eine perspektivische Aufsicht auf eine Anordnung aus dem erfindungsgemäßen Modul aus 1 und einem teildargestellten Kühlkörper 12.
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Das erfindungsgemäße Modul 1 weist ein Gehäuse 2 aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff auf. Das Gehäuse 2 weist zwei, in 2 gut zu erkennende Durchbrüche 10 auf, in die jeweils ein, also insgesamt zwei Leistungshalbleiterbauelemente 4, deren im Betrieb entstehende Verlustwärme über einen Kühlkörper 12 abgeführt werden soll, eingesetzt sind. An die Kontaktierungsbereiche der Leistungshalbleiterbauelemente 4 angrenzend sind flache Kontakte 3d der Kontaktierungsmittel 3a, 3b, 3c angeordnet. Diese dienen der elektrischen Druckkontaktierung der am jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement 4 vorgesehenen Kontaktierungsbereiche. Darüber ist jeweils eine elektrisch nicht leitende Isolierung 5a, 5b vorgesehen. Unterhalb, d. h. angrenzend an die dem Kühlkörper 12 zugewandte Oberfläche der Leistungshalbleiterbauelemente 4 ist jeweils eine elektrisch nicht leitende, aber thermisch leitende Isolierung 6a, 6b vorgesehen. Zwischen dieser Isolierung 6a, 6b und dem Kühlkörper 12, also als Abschluss des erfindungsgemäßen Moduls 1 zum Kühlkörper 12 hin, ist eine duktile Zwischenplatte 8 aus Kupfer vorgesehen, deren Ausdehnung wenigstens dementsprechenden Querschnitt der Leistungshalbleiterbauelemente 4 entspricht. Diese Zwischenplatte 8 dient dem Ausgleich von Oberflächenrauigkeiten und Unebenheiten im Kontaktbereich zum Kühlkörper 12 und kann optional entfallen. Die elektrische und thermische Druckkontaktierung wird über einen Spannbügel 9 aus Federstahl als Vorspannmittel erreicht, der die Kontaktierungsmittel 3a, 3b, 3c gegen die Leistungshalbleiterbauelemente 4 und letztere gegen den Kühlkörper 12 vorspannt. Der Spannbügel 9 weist an seinen entgegengesetzten Enden jeweils einen Durchbruch 11 auf, durch die Schrauben 7a, 7b als Befestigungsmittel eingesetzt sind, die mit nicht näher dargestellten Gewindebohrungen im Kühlkörper 12 zusammenwirken, um den Spannbügel 9 abzustützen.
