DE102014106570B4 - Leistungshalbleitermodul mit Schalteinrichtung und Anordnung hiermit - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Gehäuse (6), einer Schalteinrichtung (10), einem mit dem Gehäuse (6) verbundenen Substrat (2), einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (26), einer Verbindungseinrichtung (3), Lastanschlusseinrichtungen (4) und einer gegen das Gehäuse (6) in Normalenrichtung des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5), wobei die Schalteinrichtung (10) das Substrat, das Leistungshalbleiterbauelement, die Verbindungseinrichtung, die Lastanschlusseinrichtungen und die Druckeinrichtung umfasst, wobei das Substrat (2) eine erste mittige Durchgangsöffnung (24) sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (22) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) das Leistungshalbleiterbauelement (26) angeordnet und stoffschlüssig damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) eine erste und eine zweite Hauptfläche (300, 320) aufweist und mit einer elektrisch leitende Folie (30, 32) ausgebildet ist und wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung (5) einen Druckkörper (50) mit einer zweiten zur ersten (24) fluchtenden Durchgangsöffnung (54) und mit einer ersten Ausnehmung (504) aufweist aus der ein Druckelement (52) hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement (52) auf einen Abschnitt (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung (3) drückt und hierbei dieser Abschnitt (322) in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements (26) angeordnet ist und wobei die erste und zweite Durchgangsöffnungen (24, 54) dazu ausgebildet sind ein Befestigungsmittel (7) aufzunehmen, das dazu ausgebildet ist das Leistungshalbleitermodul (1) auf einer Kühleinrichtung (8) kraftschlüssig zu befestigen.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einer Schalteinrichtung, die die Basiszelle des Leistungshalbleitermoduls bildet. Weiterhin wird eine Anordnung mit einem derartigen Leistungshalbleitermodul beschrieben.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE 10 2010 062 556 A1 , ist eine Halbleiterschaltungsanordnung in Form eines Leistungshalbleitermoduls bekannt, bei der ein Gehäuse Druckelemente mit einem Druckkörper aufweist, wobei der Druckkörper entweder direkt auf einen Teil eines Halbleiterbauelement oder auf einen Abschnitt eines Substrats drückt. Aus der US 7 808 100 B2 ist es ebenfalls bekannt direkt mittels eines Pressstempels auf Leistungshalbleiterbauelemente zu drücken. Nachteilig an beiden Ausgestaltungen ist, dass ein direkter Druck auf ein Leistungshalbleiterbauelement, das mittels Drahtbondverbindungen intern schaltungsgerecht verbunden ist auf Grund der in realen Anwendungen begrenzten zur Verfügung stehenden Fläche nur sehr punktuell erfolgen kann. Somit verringert sich die Stromtragfähigkeit der internen Verbindung, da am Druckpunkt keine Bondverbindungen herstellbar sind.
  • Insbesondere aus der DE 10 2013 104 949 B3 ist eine Basiszelle dem Grunde nach bekannt. Diese Basiszelle ist ausgebildet als eine Schalteinrichtung mit einem Substrat, einem Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer Druckeinrichtung. Hierbei weist das Substrat elektrisch isolierte Leiterbahnen auf und auf einer Leiterbahn ist ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienverbund mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet und weist eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Hiermit wird die Schalteinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden. Die Druckeinrichtung weist einen Druckkörper mit einer ersten Ausnehmung auf, aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche des Folienverbunds drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
  • Aus der DE 32 32 154 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, das mindestens zwei Halbleiterkörper aufweist, die auf einem elektrisch isolierenden, thermisch gut leitenden Substrat sitzen, das seinerseits mit einer metallenen Bodenplatte verbunden ist. Zur Erzeugung des Kontaktdrucks ist eine über einen Gewindebolzen mit der Bodenplatte verankerte Blattfeder vorgesehen, deren Enden die Halbleiterkörper über Druckstücke belasten. Dem Grunde nach ähnliche ausgestaltete Drucksysteme sind auch aus der US 2009/0168358 A1 und der DE 602 09 423 T2 bekannt.
  • Aus der DE 10 2009 002 992 A1 ist grundsätzlich eine Verdrehsicherung eines Leistungshalbleitermoduls bei der Anordnung auf einem Kühlkörper bekannt.
  • In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul, sowie eine Anordnung hiermit, mit mindestens einer Schalteinrichtung vorzustellen, wobei die Druckeinleitung auf die Basiszelle besonders einfach und effektiv erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul ist ausgebildet mit einem Gehäuse, einer Schalteinrichtung mit einem dem Gehäuse verbundenen Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer gegen das Gehäuse in Normalenrichtung des Substrats beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung. Hierbei weist das Substrat eine erste mittige Durchgangsöffnung sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und stoffschlüssig damit verbunden ist.
  • Hierbei weist die Verbindungseinrichtung eine erste und eine zweite Hauptfläche auf und ist mit einer elektrisch leitenden Folie ausgebildet, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist. Weiterhin weist die Druckeinrichtung einen Druckkörper mit einer zweiten zur ersten fluchtenden Durchgangsöffnung und mit einer ersten Ausnehmung auf aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Hierbei sind die erste und zweite Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet ein Befestigungsmittel aufzunehmen, das dazu ausgebildet ist das Leistungshalbleitermodul auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig zu befestigen.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement, und die Verbindungseinrichtung auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein. Insbesondere können mehrere Leistungshalbleiterbauelemente auf einer oder mehreren Leiterbahnen eines Substrats angeordnet sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Gehäuse fluchtend zur ersten und zweiten Durchgangsöffnung eine dritte Durchgangsöffnung auf, wobei die erste und zweite oder alle Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet sind das Befestigungsmittel aufzunehmen.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Verbindungseinrichtung als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist, wobei die leitenden und isolierenden Folien alternierend angeordnet sind.
  • Bevorzugt ist es, wenn die erste Ausnehmung des Druckkörpers ausschließlich als Vertiefung, ausgehend von einer ersten dem Substrat zugewandten Hauptfläche des Druckkörpers oder als Vertiefung ausgehend von der ersten Hauptfläche mit einer durch den Druckkörper zur zweiten Hauptfläche hindurchreichenden Aussparung mit dort angeordneter Öffnung, ausgebildet ist. Hierbei kann das Druckelement die Ausnehmung des Druckkörpers vollständig oder annährend vollständig ausfüllen. Alternativ, gleichzeitig oder zusätzlich kann das Druckelement aus der Aussparung des Druckkörpers an dessen zweiter Hauptfläche hervorstehen.
  • Ebenso kann das Gehäuse oder eine der Lastanschlusseinrichtungen erste Führungselemente und die Druckeinrichtung zweite Führungselemente aufweisen, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet und dazu ausgebildet sind eine Bewegung der Druckeinrichtung zum Gehäuse mit angeordneten Lastanschlusseinrichtungen nur in Normalenrichtung des Substrats zuzulassen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführung kann der Druckkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, bestehen.
  • Bevorzugt weist der Druckkörper eine zweite Ausnehmung auf seiner zweiten Hauptfläche auf, deren Basis eine Hilfsfläche bildet, wobei in der zweiten Ausnehmung ein flächiger Metallkörper mit einer weiteren zu den übrigen fluchtenden Durchgangsöffnung angeordnet ist.
  • Zur Ausbildung einer effizienten Druckeinrichtung, deren Belastung für das Leistungshalbleiterbauelement nicht zu dessen Zerstörung führt, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Flächeninhalt des Abschnitts mindestens 20%, insbesondere mindestens 50% der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements aufweist.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die laterale Ausdehnung der Druckeinrichtung in beide orthogonalen Richtungen parallel zur Substratebene geringer ist als die laterale Ausdehnung des Substrats als solches.
  • Auch kann es zur Ausbildung eines besonderen Schutzes gegen Umwelteinflüsse notwendig sein, wenn die Oberseite des Substrats, einschießend dessen Leiterbahnen, das Leistungshalbleiterbauelement und die Verbindungseinrichtung mittels einer Vergussmasse feuchtigkeitsdicht vergossen ist.
  • Ebenso ist es auf Grund der besonders wirksamen Druckeinleitung möglich, dass zwischen Substrat, insbesondere demjenigen Teil des Substrats, auf dem die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, und der Kühleinrichtung eine Wärmeleitpaste mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet werden kann.
  • Es ist besonders bevorzugt, wenn der jeweilige Druckkörper breiter als hoch ausgebildet ist, d.h. wenn das Verhältnis aus lateraler Ausdehnung zu vertikaler Ausdehnung des Druckkörpers vor der Anordnung mit einer Kühleinrichtung ein Verhältnis von 3 zu 1, insbesondere von 5 zu 1 aufweist.
  • Für bestimmte Anwendungen kann die Oberseite des Substrats, einschießend dessen Leiterbahnen, das Leistungshalbleiterbauelement und die Verbindungseinrichtung mittels einer Vergussmasse feuchtigkeitsdicht vergossen sein.
  • Zur externen Kontaktierung können Abschnitte der Lastanschlusseinrichtungen durch das Gehäuse ragen und dort externe Lastkontakteinrichtungen ausbilden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein oben beschriebenes Leistungshalbleitermodul, eine Kühleinrichtung und ein Befestigungsmittel auf, wobei das Befestigungsmittel auf die Druckeinrichtung Kraft einleitet und somit die Druckeinrichtung das Substrat kraftschlüssig mit der Kühleinrichtung verbindet.
  • Hierbei kann zwischen Substrat und der Kühleinrichtung eine Wärmeleitpaste mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet sein.
  • Bevorzugt kann die Kühleinrichtung als eine Grundplatte des Leistungshalbleitermoduls oder als ein dem Leistungshalbleitermodul zugeordneter externer Kühlkörper ausbildet sein.
  • In einer bevorzugten Variante weist das Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls mindesten einen Zapfen auf, der in einer zugeordneten dritten Ausnehmung der Kühleinrichtung oder eines weiteren Kühlkörpers hineinragt und dazu ausgebildet ist ein Verdrehen des Gehäuses gegen die Kühleinrichtung bzw. gegen den weiteren Kühlkörper zu verhindern.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Leistungshalbleitermoduls.
  • 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit einem zweiten Leistungshalbleitermodul.
  • 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung mit einem dritten Leistungshalbleitermodul.
  • 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäßes Anordnung eines Leistungshalbleitermodul mit drei Schalteinrichtungen.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf Ausschnitte einer Schalteinrichtung in verschiedenen Schnittebenen.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf Teile eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 mit einer Schalteinrichtung 10. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die im Betrieb unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind. Das Substrat weist eine mittig, bzw. im Wesentlichen mittig, angeordnete erste Durchgangsöffnung 24 auf.
  • Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungsschalter 26 angeordnet, der fachüblich als Einzelschalter, beispielhaft als MOS-FET, oder als IGBT mit antiparallel geschalteter Leistungsdiode, wie hier dargestellt, ausgebildet sein. Die Leistungsschalter 26 sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit den Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
  • Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 10 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einer elektrisch leitenden Folie 30, die hier einzelne nicht, weder mechanisch noch elektrisch, miteinander verbundene Leiterbahnabschnitte ausbildet. Diese Leiterbahnabschnitte verbinden insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 24, genauer dessen Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats 2. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Leiterbahnabschnitte mit den Kontaktflächen mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können gleichartig auch Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen 24 und zwischen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden. Insbesondere bei Drucksinterverbindungen ist es vorteilhaft, wie dargestellt, eine isolierende Masse 28 am Randbereich der Leistungshalbleiterbauelement 24 anzuordnen. Diese isolierende Masse 28 kann auch in den Zwischenräumen der Leiterbahnen 22 angeordnet werden. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche der Folie 30 bildet hierbei die erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende Oberfläche eine zweite Hauptfläche 320 ausbildet.
  • Zur externen elektrischen Anbindung weist das Leistungshalbleitermodul 1 Last- und Hilfsanschlusselemente auf, wobei hier nur die Lastanschlusselemente 4 dargestellt sind. Diese Lastanschlusselemente 4 sind rein beispielhaft als Metallformkörper ausgebildet, die mit einem Kontaktfuß mit einer Leiterbahn 22 des Substrats 2 stoffschlüssig, vorteilhafterweise ebenfalls mittels einer Sinterverbindung, verbunden sind. Grundsätzlich können auch Teile der Verbindungseinrichtung 3 selbst als Last- oder Hilfsanschlusselemente ausgebildet sein. Die Hilfsanschlusselemente, wie Gate- oder Sensoranschlüsse, können im Übrigen fachüblich ausgebildet sein.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein Gehäuse 6 auf, das mit dem Substrat 2 mit einer Klebeverbindung verbunden ist. Die Lastanschlusselemente 4 ragen durch das Gehäuse 6 und bilden dort externe Lastkontakteinrichtungen 40 aus. Diese Lastkontakteinrichtungen 40 können grundsätzlich fachüblich ausgebildet sein.
  • Eine Druckeinrichtung 5 weist eine erste 500 dem Substrat 2 zugewandte und eine zweite dem Substrat 2 abgewandte Hauptfläche 502 auf und ist hier der Übersicht halber beabstandet von der Verbindungseinrichtung 3 dargestellt. Die Druckeinrichtung 5 besteht aus einem Druckkörper 50 und einer Mehrzahl, dargestellt sind zwei, Druckelementen 52. Der Druckkörper 50 ist besonders starr ausgebildet um auf ihn eingeleiteten Druck homogen auf die Druckelemente 52 weitergeben zu können. Hierzu und vor dem Hintergrund der thermischen Belastungen beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls besteht der Druckkörper 50 aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid. Die Druckelemente 52 müssen im Betrieb und hierbei insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen einen im Wesentlichen konstanten Druck ausüben können. Hierzu bestehen die Druckelemente 52 aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus sog. Flüssig-Silikon. Grundsätzlich sind hier alle Varianten der Druckeinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind vorsehbar.
  • Die Druckeinrichtung 5 weist ihrerseits eine Durchgangsöffnung auf. Diese zweite Durchgangsöffnung 54 ist fluchtend zur ersten Durchgangsöffnung 24 des Substrats 2 angeordnet. Hierdurch kann ein Befestigungsmittel 7, das hier als eine fachübliche Schraube ausgebildet ist, durch beide Durchgangsöffnungen 24, 54 hindurchreichen um das Leistungshalbleitermodul 1 auf einer, hier nicht dargestellten, Kühleinrichtung zu befestigen. Ausgeführt wird dies beispielhaft indem das Substrat 2 mittels der Druckeinrichtung 5 auf der Kühleinrichtung befestigt wird und anschließend das Gehäuse 6 angeordnet und mit dem Substrat 2 verbunden wird. Alternativ, vgl. 3, kann das Gehäuse 6 eine zu der ersten und zweiten Durchgangsöffnung 24, 54 fluchtende dritte Durchgangsöffnung 64 aufweisen durch die hindurch die Schraube 7 bewegt, gedreht und damit in einen Kühlkörper eingeschraubt, werden kann.
  • 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit einem zweiten Leistungshalbleitermodul 1. Diese Anordnung weist ein Leistungshalbleitermodul 1, ähnlich demjenigen gemäß 1, sowie einen die Kühleinrichtung 8 bildenden Kühlkörper und eine schematisch angedeutete Druckeinleiteinrichtung 7 auf.
  • Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 10 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem Folienverbund, der alternierend elektrisch leitende 30, 32 und elektrisch isolierende Folien 31 aufweist. In dieser Ausführung weist der Folienverbund 3 genau zwei leitende Folien 30, 32 und eine dazwischen angeordnete isolierende Folie 31 auf. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche des Folienverbunds 3 bildet hierbei die erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende die zweite Hauptfläche 320 ausbildet. Insbesondere die leitenden Folien 30, 32 der Verbindungseinrichtung 3 sind in sich strukturiert und bilden somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus.
  • Beispielhaft weist ein, hier das rechte Lastanschlusselement 4 in seinem Verlauf eine mäanderartigen Abschnitt 48 auf, der als Zug- bzw. Druckentlastung wirkt. Weiterhin sind hier die Lastkontakteinrichtungen 40 zur Verbindung mit einer fachüblichen Schraubverbindung dargestellt, wobei eine Mutter 46 starr oder bewegliche im Gehäuse 6 vorgesehen ist in die eine zugeordnete Schraube 47 durch die Lastkontakteinrichtung 40 hindurch eingreift. Zur Verdeutlichung ist die Schraube 47 beabstandet dargestellt.
  • Der Druckkörper 50 der Druckreinrichtung 5 weist in dieser Ausgestaltung zusätzlich eine Metalleinlage 56 auf, die hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit in einer zweite Ausnehmung 506 an der zweiten Hauptfläche 502 der Druckeinrichtung 5 angeordnet ist. Hierbei bildet die Basis dieser zweiten Ausnehmung 506 eine Hilfsfläche aus. Der Druckkörper 5 weist in seiner Gesamtheit also einschließlich der Metalleinlage 56 eine zweite Durchgangsöffnung 54 auf.
  • Das Gehäuse 6 weist eine dritte Durchgangsöffnung 64 auf, die zur ersten und zweiten Durchgangsöffnung 24, 54 fluchtend angeordnet ist. Durch diese Durchgangsöffnungen hindurchreichend ist eine Schraube 7 angeordnet, die in eine Kühlreinrichtung 8, 80 eingeschraubt ist und somit Druck über das Gehäuse 6 auf die Druckeinrichtung 5 und über diese Druckeinrichtung 5 und die Verbindungseinrichtung 3, das Substrat 2, genau an den Stellen an denen Leistungshalbleiterbauelemente 26 angeordnet sind auf die Kühleinrichtung 80 drückt und somit kraftschlüssig das Substrat 2 mit der Kühleinrichtung 8 verbindet. Dies zeigt den wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, nämlich eine einfache zentrale Krafteinleitung, die mittelbar die Leistungshalbleiterbauelemente 26, über das Substrat 2 auf die Kühlreinrichtung 80 drückt.
  • Der Druckkörper 50 der Druckeinrichtung 5 verteilt hierbei den Druck gleichmäßig auf die Druckelemente 52, die ihrerseits auf Abschnitte 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 drücken. Diese Abschnitte 322 der Verbindungseinrichtung 3, die mit Druck beaufschlagt werden sind erfindungsgemäß derart gewählt, dass sie und somit ihre Ausdehnungsfläche betrachtet in Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche dieses Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnete sind. Somit drückt das Druckelement 52 mittels der Verbindungseinrichtung 3 derart auf das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, dass dieses, genauer das darunter befindliche Substrat 2, auf den Kühlkörper 7 gedrückt wird und somit der thermische Kontakt vom Leistungshalbleiterbauelement 24 zum Kühlkörper 7 optimal ausgebildet ist.
  • Durch die Druckeinleitung auf die Druckelemente 52 verformen sich diese, wobei es hierbei auch möglich ist, dass ihre laterale Ausdehnung zunimmt. Im unbelasteten Zustand, also ohne eingeleiteten Druck, vgl. 1, weist dieser Druckkörper 52 ein Verhältnis von seiner lateralen Ausdehnung zu seiner vertikaler Ausdehnung von 4 zu 1, auf. Im belasteten, also mit Druck beaufschlagten Zustand und durch die dadurch verursachte Verformung des Druckkörpers 52 verändert sich dieses Verhältnis hier ungefähr nach 5 zu 1.
  • Zwischen dem Substrat 2 und der Kühleinrichtung 8 ist eine Wärme leitenden Schicht, eine Wärmeleitpaste 800, angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Leistungshalbleitermoduls 1 kann diese Schicht sehr dünn, beispielhaft mit einer Dicke im unmontierten Zustand von 10µm ausgebildet sein. Durch die Druckeinleitung wird die Schicht insbesondere unter den Leistungshalbleiterbauelementen zumindest teilweise verdrängt, wodurch der Wärmeübergang vom Substrat 2 auf den Kühlkörper 8 besonders effizient erfolgt.
  • Die Kühleinrichtung 8 ist hier als Kühlkörper 80 zur Luftkühlung dargestellt, kann aber ebenso als Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung ausgebildet sein.
  • 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung mit einem dritten Leistungshalbleitermodul 1. Hierbei ist die Kühleinrichtung 8 als eine Grundplatte 80 des Leistungshalbleitermoduls selbst ausbildet, die wie das Substrat 2 des Leistungshalbleitermoduls 1, aber in noch stärkerem Maße der Wärmespreizung der durch Leitungsverluste in den Leistungshalbleiterbauelementen 26 entstehenden Wärme und deren Weiterleitung an einen weiteren Kühlkörper 84 dient.
  • Das Gehäuse 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 ist in dieser Ausgestaltung mit der Kühleinrichtung 8 verbunden und weist Anschraubeinrichtungen 66 zur Verbindung mit dem Kühlkörper 82 auf. Weiterhin weist das Gehäuse 6 des Leistungshalbleitermoduls 1 mindesten einen Zapfen 68 auf, der in einer zugeordneten dritten Ausnehmung der Kühleinrichtung, hier des Kühlkörpers 82 hineinragt und dazu ausgebildet ist ein Verdrehen des Gehäuses 6 gegen die Kühleinrichtung 8 zu verhindern. Ein derartige Zapfen kann ebenso bei einer Ausgestaltung gemäß 2 oder anderen vorgesehen sein.
  • Zwischen dem Substrat 2 und der Kühleinrichtung 8 ist Wärmeleitpaste mit einer Dicke von 10µm angeordnet. Ein derart dünne Ausgestaltung einer Wärmeleitpastenschicht 70 ist unter Berücksichtigung latent vorhandener lokaler Durchbiegungen des Substrats 2 insbesondere dadurch möglich, dass der Druck in Normalenrichtung des Substrats 2 auf das Leistungshalbleiterbauelement 26 eingeleitet wird und somit das Leistungshalbleiterbauelement 26 und nicht eine umgebende Fläche den optimalen thermischen Kontakt zur Kühleinrichtung 8 aufweist. Zwischen der Kühleinrichtung 8 und dem weiteren Kühlkörper 84 ist wiederum Wärmeleitpaste allerdings mit einer Dicke von mehr als 50µm angeordnet.
  • Die weitere Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls 1 selbst entspricht einer Kombination derjenigen gemäß 1 und 2.
  • 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung eines Leistungshalbleitermoduls 1 mit drei Schalteinrichtungen 10 entspricht im Grunde allerdings der Ausgestaltung gemäß 3. Die Ausgestaltung gemäß 4 kann beispielhaft ein 3-phasiges Leistungshalbleitermodul ausbilden während diejenige gemäß 3 ein 1-phasiges Leistungshalbleitermodul ausbildet.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf eine leistungselektronische Schalteinrichtung 1 in verschiedenen Schnittebenen. Die Schnittebene gemäß 5a zeigt zwei Leistungshalbleiterbauelemente 26, die typisch aber nicht dargestellt auf einer gemeinsamen Leiterbahn eines Substrats angeordnet sind. Es handelt sich hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit um einen Transistor mit einer mittigen Gateanschlussfläche und diese umrahmende Emitteranschlussflächen und um eine Diode mit einer Kathodenanschlussfläche.
  • 5b zeigt die erste in sich strukturierte elektrisch leitende Folie 30 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Emitteranschlussflächen des Transistors und der Kathodenanschlussfläche der Diode aus. Hierbei wird die Gateanschlussfläche des Transistors ausgespart.
  • 5c zeigt die zweite in sich strukturierte elektrisch leitende Folie 32 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zur Gateanschlussfläche des Transistors.
  • 5d zweigt quasi den Fußabdruck der den Leistungshalbleiterbauelementen 26 zugeordneten Kontaktelementen 50 der Kontakteinrichtung, wobei dem Transistor aufgrund seiner quadratischen Grundform nur ein Kontaktelement und der Diode aufgrund ihrer rechteckigen Grundform zwei Kontaktelemente zugeordnet sind. Der jeweilige Fußabdruck entspricht denjenigen Abschnitten 322 auf der zweiten Hauptfläche 302 der Verbindungseinrichtung 3, die in Normalenrichtung des Substrats fluchtend zu den Leistungshalbleiterbauelementen 26 angeordnet sind und hierbei auf das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement projiziert sind. Hierbei wird ersichtlich, dass die Fläche des Fußabdrucks, also diejenige Fläche die zur Druckeinleitung bestimmt ist einen möglichst großen Teil der Fläche des Leistungshalbleiterbauelement abdeckt, ohne über diese hinauszuragen.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf Teile eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1. Dargestellt ist die Druckeinrichtung 5 mit Druckelementen 50 und schematisch angedeutet ein einem Druckelement 50 zugeordnetes Leistungshalbleiterbauelement 26. Weiterhin dargestellt ist ein Ausschnitt eines Gehäuses 6 wie auch drei Lastanschlusselemente 4.
  • Zur Einschränkung der Bewegung der Druckeinrichtung 5 zum Gehäuse 6 mit angeordneten Lastanschlusseinrichtungen 4 nur in Normalenrichtung des Substrats, hier in die Zeichenebene hinein oder heraus, sind zwei Varianten dargestellt, die grundsätzlich alternativ oder gleichzeitig vorhanden sein können. Diese Bewegung ist in den 1 und 2 mittels eines Doppelpfeils schematisch dargestellt.
  • In einer ersten Variante weist das Gehäuse 6 erste Führungselemente 608 und die Druckeinrichtung 5 zweite Führungselemente 508 auf, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung ist das erste Führungselement 608 als eine v-förmige Nut und das zweite Führungselemente 508 als eine in dieser Nut in Normalenrichtung bewegliche Nase ausgebildet ist.
  • In einer zweiten Variante weist eine Lastanschlusseinrichtungen 4 erste Führungselemente 408 und die Druckeinrichtung 5 zweite Führungselemente 508 auf, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung ist das erste Führungselement 408 als eine in Normalenrichtung verlaufende Auswölbung des Lastanschlusselements ausgebildet entlang derer das zweite Führungselement 508, eine Nase mit einer Einkerbung, beweglich ausgebildet ist.

Claims (15)

  1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einem Gehäuse (6), einer Schalteinrichtung (10), einem mit dem Gehäuse (6) verbundenen Substrat (2), einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement (26), einer Verbindungseinrichtung (3), Lastanschlusseinrichtungen (4) und einer gegen das Gehäuse (6) in Normalenrichtung des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5), wobei die Schalteinrichtung (10) das Substrat, das Leistungshalbleiterbauelement, die Verbindungseinrichtung, die Lastanschlusseinrichtungen und die Druckeinrichtung umfasst, wobei das Substrat (2) eine erste mittige Durchgangsöffnung (24) sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (22) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) das Leistungshalbleiterbauelement (26) angeordnet und stoffschlüssig damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) eine erste und eine zweite Hauptfläche (300, 320) aufweist und mit einer elektrisch leitende Folie (30, 32) ausgebildet ist und wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung (5) einen Druckkörper (50) mit einer zweiten zur ersten (24) fluchtenden Durchgangsöffnung (54) und mit einer ersten Ausnehmung (504) aufweist aus der ein Druckelement (52) hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement (52) auf einen Abschnitt (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung (3) drückt und hierbei dieser Abschnitt (322) in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements (26) angeordnet ist und wobei die erste und zweite Durchgangsöffnungen (24, 54) dazu ausgebildet sind ein Befestigungsmittel (7) aufzunehmen, das dazu ausgebildet ist das Leistungshalbleitermodul (1) auf einer Kühleinrichtung (8) kraftschlüssig zu befestigen.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (6) fluchtend zur ersten und zweiten Durchgangsöffnung (24, 54) eine dritte Durchgangsöffnung (64) aufweist, wobei die erste und zweite oder alle Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet sind das Befestigungsmittel (7) aufzunehmen.
  3. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie (30, 31, 32) ausgebildet ist, wobei die leitenden Folien (30, 32) und isolierenden Folien (31) alternierend angeordnet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Ausnehmung (504) des Druckkörpers (50) ausschließlich als Vertiefung ausgehend von einer ersten dem Substrat (2) zugewandten Hauptfläche (500) des Druckkörpers (50) oder als Vertiefung ausgehend von der ersten Hauptfläche (500) mit einer durch den Druckkörper (50) zur zweiten Hauptfläche (502) hindurchreichenden Aussparung mit dort ausgebildeter Öffnung ausgebildet ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (6) oder eine der Lastanschlusseinrichtungen (4) erste Führungselemente (608, 408) und die Druckeinrichtung (5) zweite Führungselemente (508) aufweist, wobei diese ersten und zweiten Führungselemente zueinander korrespondierend angeordnet und dazu ausgebildet sind eine Bewegung der Druckeinrichtung (5) zum Gehäuse (6) mit angeordneten Lastanschlusseinrichtungen (4) nur in Normalenrichtung des Substrats (2) zuzulassen.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (50) aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement (52) aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, besteht.
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (50) eine zweite Ausnehmung (506) auf seiner zweiten Hauptfläche (502) aufweist, deren Basis eine Hilfsfläche bildet und wobei in der zweiten Ausnehmung (506) ein flächiger Metallkörper (56) mit einer weiteren zu den übrigen fluchtenden Durchgangsöffnung angeordnet ist.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flächeninhalt des Abschnitts (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung mindestens 20%, insbesondere mindestens 50% der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements (26) aufweist.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis aus laterale Ausdehnung zu vertikaler Ausdehnung des Druckkörpers (52) ein Verhältnis von mindestens 3 zu 1, insbesondere von mindestens 5 zu 1 aufweist.
  10. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberseite des Substrats (2), einschießend dessen Leiterbahnen (22), das Leistungshalbleiterbauelement (24) und die Verbindungseinrichtung (3) mittels einer Vergussmasse feuchtigkeitsdicht vergossen ist.
  11. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Abschnitte der Lastanschlusseinrichtungen (4) durch das Gehäuse (6) ragen und dort externe Lastkontakteinrichtungen (40) ausbilden.
  12. Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kühleinrichtung (8) und mit einem Befestigungsmittel (7), wobei das Befestigungsmittel (7) auf die Druckeinrichtung (5) Kraft einleitet und somit die Druckeinrichtung (5) das Substrat (2) kraftschlüssig mit der Kühleinrichtung (8) verbindet.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei zwischen Substrat (2) und der Kühleinrichtung (8) eine Wärmeleitpaste (800) mit einer Dicke von weniger als 20µm, insbesondere von weniger als 10µm, insbesondere von weniger als 5µm angeordnet ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kühleinrichtung (8) eine Grundplatte (80) des Leistungshalbleitermoduls (1) ausbildet oder ein dem Leistungshalbleitermodul (1) zugeordneter externer Kühlkörper (82) ist.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Gehäuse (6) des Leistungshalbleitermoduls (1) mindesten einen Zapfen (68) aufweist, der in einer zugeordneten dritten Ausnehmung der Kühleinrichtung (8) oder eines weiteren Kühlkörpers (84) hineinragt und dazu ausgebildet ist ein Verdrehen des Gehäuses (6) gegen die Kühleinrichtung (8) bzw. den weiteren Kühlkörper (84) zu verhindern.
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