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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelementmodul zur Befestigung an einem Kühlkörper sowie eine Anordnung aus beidem. Dieses 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 Modulen ist eine massive 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 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 massiv 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. Vor diesem Hintergrund dieser Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Leistungshalbleiterbauelementmodul 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 vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelementmodul zur Befestigung an einem Kühlkörper, um so die Abwärme des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelements über einen wärmeleitenden Körper 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), Metalloxidhalbleiter-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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Erfindungsgemäß sind ferner Kontaktierungsmittel vorgesehen, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise sind die Kontaktierungsmittel wenigstens teilweise zwischen dem Vorspannmittel und dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet. 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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Ferner sind erfindungsgemäß Vorspannmittel vorgesehen, die ausgelegt sind, die Kontaktierungsmittel gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und das Leistungshalbleiterbauelement über den wenigstens einen wärmeleitenden Körper gegen den Kühlkörper zur thermischen Kontaktierung vorzuspannen. 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. Es bestehen die prinzipiellen Vorteile der erfindungsgemäß vorgesehenen Druckkontaktierung, 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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Ferner sind Befestigungsmittel zur Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper vorgesehen, wobei die Befestigungsmittel eine Platte mit Durchbruch aufweisen, wobei in dem Durchbruch der wärmeleitende Körper wenigstens teilweise angeordnet ist. Gegenüber dem Stand der Technik entfällt damit eine Platte oder Dergleichen, die beide Aufgaben zu erfüllen hat, nämlich die Aufgabe der Wärmeleitung vom Halbleiterbauelement auf den Kühlkörper als auch der Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper. Dies gelingt beim Stand der Technik nicht, da bei vergleichsweise geringer Dimensionierung bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit eine Durchbiegen im Bereich der Ankopplung an den Kühlkörper nicht vermieden werden kann, so dass letztlich aufgrund mechanisch Verformung die thermische Kopplung an den Kühlkörper beeinträchtigt oder zumindest gefährdet ist. Dadurch, dass somit für den Wärmeübergang ein separater wärmeleitender Körper vorgesehen ist, kann dieser speziell auf diese Funktionalität ausgelegt werden, ohne dass dadurch die zuverlässige Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper gefährdet ist. Die Platte wird beispielsweise mit Schrauben an dem Kühlkörper befestigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Platte auf ihrer dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandten Seite einen Sitz für den wärmeleitenden Körper auf. Damit besteht die Möglichkeit den wärmeleitenden Körper mittels der Vorspannmittel gegen die Platte, d.h. in den Sitz der Platte, auch bei nicht vor handenem Kühlkörper vorzuspannen. Somit ist der wärmeleitende Körper unverlierbar. Es besteht ferner die Möglichkeit, das Modul vorzukonfektionieren und im montierten Zustand zu lagern und zu transportieren.
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Der wärmeleitende Körper ist bevorzugt so ausgestaltet, dass er einen nahezu mit der für die Wärmekopplung vorgesehenen Fläche des Leistungshalbleiterbauelements deckungsgleichen Querschnitt aufweist, um ihn bei effizienter Wärmeleitung so kompakt wie möglich zu halten. Bevorzugt ist der wärmeleitende Körper als Ronde ausgebildet.
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Bevorzugt ist der Sitz als Spiel- oder Presspassung für den wärmeleitenden Körper ausgebildet. Noch bevorzugter bildet der Sitz eine versenkte, beispielsweise eine gegenüber der Oberfläche der Befestigungsmittelplatte im Bereich von 0,5 bis 2 mm versenkte Anlagefläche für den wärmeleitenden Körper aus.
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Bevorzugt umfassen die Vorspannmittel eine Tellerfeder oder eine Flachfeder. Diese stützen sich beispielsweise an einer druckaufnehmenden Platte ab, die von den Befestigungsmitteln an dem Kühlkörper befestigt sind und drücken über einen Druckstempel das Leistungshalbleiterbauelement sowie den wärmeleitenden Körper gegen den Kühlkörper, so dass sich zwischen diesen ein wärmeleitender Kontakt ausbildet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Modul ferner eine thermisch leitfähige, elektrisch isolierende Zwischenplatte zur Anordnung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper, bevorzugt zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem wenigstens einen wärmeleitenden Körper. Beispielsweise ist die Platte im Wesentlichen oder ganz aus einer Aluminiumnitridkeramik hergestellt.
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Bevorzugt ist mittels der Vospannmittel die Vorspannung einstellbar ist. Hierzu umfassen die Vorspannmittel beispielsweise wenigstens eine Schraubverbindung. Somit kann der Druck zur thermischen und elektrischen Kontaktierung mit dem das Leitungshalbleiterbauelement an den Kühlkörper bzw. die Kontaktierungsmittel an dem Bauelement anliegen durch die Vospannmittel, beispielsweise mittels der Schraubverbindung, ein- und/oder nachgestellt werden.
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Bevorzugt ist der wärmeleitende Körper aus einem duktilen, thermisch leitfähigen Material hergestellt. Die vergleichsweise höhere Duktilität des wärmeleitenden Körpers gegenüber den Materialien, die bei den an den wärmeleitenden Körper angrenzenden Elementen, wie Kühlkörper oder der elektrisch isolierenden Zwischenplatte, verwendet werden, verbessert den Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Leistungshalbleiterbauelement, da das duktile Material aufgrund seiner höheren Plastizität Unebenheiten im Berührbereich auszugeichen vermag.
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Bevorzugt ist der wärmeleitende Körper aus Kupfer hergestellt.
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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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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: Bereitstellen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements; Bereitstellen wenigstens eines wärmeleitenden Körpers; Bereitstellen von Befestigungsmitteln zur Befestigung an einem Kühlkörper, wobei die Befestigungsmittel eine Platte mit Durchbruch und einem Sitz für den wärmeaufweisenden Körper auf der dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandten Seite der Platte aufweisen; wenigstens teilweises Einbringen des wärmeleitenden Körpers in den Sitz; optionales Aufbringen einer thermisch leitfähigen, elektrisch isolierende Zwischenplatte auf den wärmeleitenden Körper; Aufbringen des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelements auf den wärmeleitenden Körper; dem Aufbringen des Bauelements vorhergehendes und/oder nachfolgendes Anbringen von Kontaktierungsmitteln, um das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauelement elektrisch zu kontaktieren; Anbringen von Vorspannmitteln, wobei die Vorspannmittel die Kontaktierungsmittel gegen das Leistungshalbleiterbauelement zur elektrischen Kontaktierung und über den Leistungshalbleiterbauelement den wärmleitenden Körper in den Sitz des Durchbruchs vorspannen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass mit der Montage des Vorspannmittels wenigstens sowohl die thermische als auch elektrische Kontaktierung vollzogen wird. Dadurch, dass für den Wärmeübergang ein separater wärmeleitender Körper vorgesehen ist, kann dieser speziell auf diese Funktionalität ausgelegt werden, ohne dass dadurch die zuverlässige Befestigung der Vorspannmittel an dem Kühlkörper gefährdet ist. Durch den vorgesehenen Sitz besteht die Möglichkeit den wärmeleitenden Körper mittels der Vorspannmittel gegen die Platte, d.h. in den Sitz der Platte, auch bei nicht vorhandenem Kühlkörper vorzuspannen. Somit ist der wärmeleitende Körper unverlierbar. Es besteht ferner die Möglichkeit, das Modul vorzukonfektionieren und im montierten Zustand zu lagern und zu transportieren.
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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 Seitenansicht des erfindungsgemäßen Moduls 1 in einer bevorzugten Ausgestaltung, welches auf einem teilweise dargestellten Kühlkörper 16 angeordnet ist;
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2 eine perspektivische Explosionsansicht von Teilen des erfindungsgemäßen Moduls.
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Das erfindungsgemäße Modul 1 umfasst Befestigungsmittel 2, 13 zur Befestigung des Moduls 1 an einem Kühlkörper 16, der in 1 nur teilweise dargestellt ist. Es sind Bohrungen 13 in der Platte 2 vorgesehen, durch die nicht dargestellte Schrauben in zugehörige Gewindebohrungen des Kühlkörpers 16 geschraubt werden, um die Platte 2 gegen den Kühlkörper 16 zu drücken. Die Platte 2 weist, wie in 2 gezeigt ist, einen zentralen, kreisförmigen Durchbruch 14 auf. Der Durchbruch 14 dient der Aufnahme eines wärmeleitenden Körpers 3 aus Kupfer. In den Durchbruch 14 ist ein durch eine vertiefte Anlagefläche gebildeter Sitz 15 ausgebildet. Dieser wirkt mit dem wärmeleitenden Körper 3 so zusammen, dass dieser in der zur Platte parallelen Richtung in seiner Lage fixiert ist und er auch nicht durch den Durchbruch hindurchgeführt werden kann aber gleichzeitig in Berührkontakt mit dem Kühlkörper 16 steht. Die Platte 3 dient ferner der Befestigung von Vorspannmitteln, di unter anderem durch vier über den Umfang des Durchbruchs gleichmäßig verteilte Schraubbolzen gebildet werden. Mittels in die Bolzen 17 geschraubte Schrauben 12 ist eine Widerlagerplatte 10 so befestigt, dass eine sich daran abstützende Tellerfeder 11 über einen Druckstempel 9 eine Druckkraft in Richtung des Durchbruchs 14 aufweist. Unter dem Druckstempel 9 ist eine elektrisch isolierende Kunststoffscheibe 7 angeordnet, in diese Kunststoffscheibe 7 ist eine elektrische Leitung 8 zur Kontaktierung der Gatestruktur eines später erwähnten Leistungshalbleiterbauelements 6 eingebettet. Angrenzend an diese Kunststoffscheibe 7 sind erste Kontaktierungsmittel 5b zur elektrischen Kontaktierung des darunter angrenzend angeordneten scheibenförmigen Leistungshalbleiterbauelements 6 vorgesehen. Angrenzend an die Unterseite des Leistungshalbleiterbauelements 6 sind zweite Kontaktierungsmittel 5a vorgesehen. Die ersten und zweiten Kontaktierungsmittel 5a, 5b liegen jeweils flächig am Leistungshalbleiterbauelement 6 an, wobei eine elektrische und thermische Druckkontaktierung durch die Vorspannmittel erreicht wird. Die zweiten Kontaktierungsmittel 5a grenzen auf ihrer dem Halbleiterbauelement 6 abgewandten Seite an eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Zwischenscheibe aus einer Aluminiumnitridkeramik an, die wiederum an den elektrisch leitenden Körper 3 angrenzt. Die elektrisch isolierende Kunststoffscheibe 7, die ersten elektrischen Kontaktierungsmittel 5b, das Leistungshalbleiterbauelement 6, die zweiten elektrischen Kontaktierungsmittel 5a, die elektrisch isolierende und thermisch leitende Zwischenscheibe 4 und der wärmeleitende Körper 3 bilden somit einen durch die Vorspannmittel zwischen diesen und dem Kühlkörper 16 vorgespannten Stapel aus, wobei insbesondere thermisch Leitung zwischen dem Halbleiterbauelement 6 und dem Kühlkörper 16 durch die Vorspannung sichergestellt ist. Während die Platte 2 auf die mechanische Befestigung der Vorspannmittel 9, 10, 11, 12, 17 am Kühlkörper 16 ausgelegt ist, ist der elektrisch leitende Körper 3 mittels Formgebung und/oder Materialauswahl bezüglich des Wärmeübergangs vom Leistungshalbleiterbauelement 6 auf den Kühlkörper 16 optimiert.
