DE102014205958A1 - Halbleiterschaltelementanordnung und Steuergeräteinrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

Halbleiterschaltelementanordnung und Steuergeräteinrichtung für ein Fahrzeug Download PDF

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Jorg Jahn
Thomas Erdmann
Ajoy Palit
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Lemfoerder Electronic GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltelementanordnung für den Einsatz in einem Fahrzeug, mit einer Leiterplatte und einem an der Leiterplatte angebrachten Halbleiterschaltelement, welches von einer an der Leiterplatte angebrachten metallischen Abdeckung abgedeckt ist. Die metallische Abdeckung steht in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühleinrichtung oder ist in solchen Kontakt bringbar. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuergeräteinrichtung mit einer solchen Halbleiterschaltelementanordnung und die Verwendung einer dieser Einrichtungen in einem Fahrzeug.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltelementanordnung und eine Steuergeräteinrichtung insbesondere für ein Fahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung derartiger Einrichtungen in einem Fahrzeug.
  • Mit dem zunehmenden Einsatz von Steuerelektronik und Servosystemen in Fahrzeugen werden verstärkt elektronische Schaltelemente eingesetzt, insbesondere Leistungsschalter oder Leistungstransistoren, welche eine erhebliche Abwärme erzeugen. Aufgrund der beengten Raumverhältnisse von Fahrzeugen sind eine zweckmäßige Anordnung und insbesondere eine Kühlung von Schaltelementen nicht immer einfach zu bewerkstelligen. Ein Ansatz zum raumsparenderen Einsatz von Elektronik wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2010 002 138 A1 beschrieben, welche vorschlägt, ein Logik- oder Filterbauteil einer Elektronik zusammen mit einem Leistungselektronikelement auf einem gemeinsamen Leiterbahnsubstrat anzuordnen, statt solche Elemente auf unterschiedlichen Substraten bereitzustellen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine platzsparende Kühlmöglichkeit für Halbleiterschaltelementanordnungen anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung kann eine Leiterplatte allgemein ein Träger für elektronische Bauteile sein und insbesondere ein Substrat mit einer oder mehreren Leiterbahnen bezeichnen oder umfassen. Eine Leiterplatte kann beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte sein, welche auch als Printed Circuit Board (PCB) bezeichnet werden kann. Ein Halbleiterschaltelement kann allgemein ein Schaltelement einer elektronischen Schaltung sein, etwa ein Transistor oder eine Diode. Ein wärmeleitender Kontakt kann einen direkten oder indirekten Kontakt beschreiben, welcher eine Wärmeübertragung vermittels Wärmeleitung ermöglicht, insbesondere eine Wärmeübertragung im Wesentlichen vermittels Wärmeleitung. Bei einem indirekten wärmeleitenden Kontakt zwischen zwei Elementen oder Komponenten können eine oder mehrere Zwischenschichten oder Zwischenelemente zwischen den zwei Elementen oder Komponenten angeordnet sein, welche jeweils selbst in wärmeleitendem Kontakt mit den sie umgebenden Elementen oder Komponenten stehen können. Es kann vorgesehen sein, dass für einen indirekten wärmeleitenden Kontakt zwischen zwei Elementen die eine oder mehreren Zwischenschichten oder Zwischenelemente jeweils gut wärmeleitend und/oder nicht wärmeisolierend ausgebildet sind. Ein metallisches Material kann allgemein ein Metall und/oder eine Metalllegierung mit metallischen Eigenschaften bezeichnen. Insbesondere kann ein metallisches Material als gut wärmeleitend angesehen werden. Eine metallische Abdeckung kann allgemein als metallische Schicht, als metallische Platte oder Blech und/oder als metallisches Element mit vertiefter und/oder gebogener Struktur ausgebildet sein, insbesondere wannenartig, etwa als so genannte „Can“. Die Abdeckung kann elektrisch leitende und/oder wärmeleitende Verbindungsabschnitte aufweisen, welche etwa einen Anschluss an eine Leiterplatte ermöglichen, beispielsweise durch Verlöten. Derartige Verbindungsabschnitte können einstückig mit der Abdeckung ausgebildet sein, und etwa kragenartig und/oder flanschartig sein und/oder entsprechende Bereiche umfassen. Eine Abdeckung kann allgemein dazu ausgebildet sein, ein Halbleiterschaltelement an mindestens einer Seite, insbesondere nach oben, abzudecken und/oder an mehreren Seiten zu umgeben.
  • Es wird eine Halbleiterschaltelementanordnung für den Einsatz in einem Fahrzeug beschrieben. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Kraftfahrzeug wie einen Personen- oder Lastkraftwagen oder ein Kraftrad umfassen. Die Halbleiterschaltelementanordnung weist eine Leiterplatte und ein an der Leiterplatte angebrachtes Halbleiterschaltelement auf. Das Halbleiterschaltelement ist von einer an der Leiterplatte angebrachten metallischen Abdeckung abgedeckt, wobei die metallische Abdeckung in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühleinrichtung steht oder bringbar ist. Somit kann über die gut wärmeleitende metallische Abdeckung Wärme vom Halbleiterschaltelement zur Kühleinrichtung abgeführt werden. Dazu steht das Halbleiterschaltelement bevorzugterweise in wärmeleitendem Kontakt mit der Abdeckung. Vorzugsweise ist ein flächiger Kontakt vorgesehen, wobei zwischen dem Halbleiterschaltelement und der Abdeckung ein Befestigungsmaterial vorgesehen sein kann, beispielsweise ein wärmeleitfähiger Klebstoff. Dies ermöglicht eine Wärmeabfuhr auch nach oben, im Gegensatz zur üblichen Wärmeableitung über thermische Vias in der Leiterplatte nach unten. Dabei wird mit “oben” diejenige Richtung bezeichnet, welche auf derjenigen Seite der Leiterplatte liegt, auf welcher die Abdeckung angebracht ist; “unten” entspricht der Richtung, welche auf der der Abdeckung angewandten Seite der Leiterplatte liegt. Die Abdeckung kann das Halbleiterschaltelement im Wesentlichen und/oder zumindest nach oben hin und/optional zu den Seiten hin zumindest teilweise abdecken und/oder umgeben. Es kann vorgesehen sein, dass die Abdeckung dazu ausgebildet ist, nur und/oder genau ein Halbleiterschaltelement wie einen Transistor oder eine Diode abzudecken, so dass die Abdeckung kein anderes Halbleiterschaltelement abdeckt. Damit kann eine direkte Zuordnung einer Abdeckung zu einem speziellen Halbleiterelement erfolgen. Es ist vorstellbar, dass die Abdeckung funktionell in das Halbleiterschaltelement integriert und/oder als Teil davon ausgebildet ist. Das Halbleiterschaltelement kann insbesondere durch Verlöten, etwa durch ein Oberflächenmontageverfahren, an der Leiterplatte angebracht sein, etwa indem mehrere Anschlusspads des Halbleiterschaltelements an entsprechende Lötstellen der Leiterplatte angelötet werden. Dazu kann beispielsweise eine Reflow-Verlötung eingesetzt werden. Die Kühleinrichtung kann oberhalb der Abdeckung vorgesehen oder angeordnet werden. Eine Kühleinrichtung kann allgemein mindestens einen Kühlkörper aufweisen, welcher aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt sein kann, insbesondere aus einem metallischen Material, etwa Aluminium und/oder Kupfer und/oder Stahl. Ein Kühlkörper kann Wärmeabgabeflächen und/oder Wärmeabgabestrukturen und/oder leicht anströmbare Elemente zur Wärmeabgabe aufweisen, insbesondere am Kühlkörper angebrachte oder ausgebildete Flügelelemente oder Rippen. Derartige Wärmeabgabestrukturen können beispielsweise durch eine Luftkühlung oder aktive Kühlung mit einem Kühlmedium angeströmt werden. Die Kühleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die metallische Abdeckung und/oder den Kühlkörper passiv und/oder aktiv zu kühlen, etwa indem Kühlluft und/oder Kühlflüssigkeit für den Kühlkörper und/oder die Abdeckung bereitgestellt wird. Es ist vorstellbar, dass die Kühleinrichtung einen oberhalb der Leiterplatte in wärmeleitendem Kontakt mit der metallischen Abdeckung stehenden oder bringbaren Kühlkörper aufweist. Optional kann ein unterhalb der Leiterplatte angeordneter Sekundärkühlkörper vorgesehen sein, welcher optional in wärmeleitendem Kontakt mit dem an der Oberseite vorgesehenen Kühlkörper stehen kann. Ein solcher wärmeleitender Kontakt zwischen den Kühlkörpern kann beispielsweise durch eine wärmeleitende Verbindung durch die Leiterplatte hindurch bereitgestellt sein, etwa durch ein in der Leiterplatte aufgenommenes und dieses durchdringendes, gut wärmeleitendes Verbindungsabschnitt, etwa einen metallischen Stift oder Metallkern, und/oder eine oder mehrere thermische Vias und/oder wärmeleitendes Füllmaterial wie Wärmeleitpaste. Die metallische Abdeckung kann aus einem gut wärmeleitendem Material hergestellt sein und/oder ein solches umfassen, etwa Kupfer und/oder Aluminium. Die metallische Abdeckung kann elektrisch leitend mit einem Anschluss des Halbleiterschaltelements und/oder mindestens einem Lötpad verbunden und/oder daran angeschlossen sein, etwa über eine oder mehrere Lötstellen. Insbesondere kann die metallische Abdeckung an einem Drain-Anschluss des Halbleiterschaltelements angeschlossen sein und/oder als solcher ausgebildet sein. Das Halbleiterschaltelement und/oder die metallische Abdeckung können vermittels Oberflächenmontagetechnik oder SMD-Technik (SMD=surface mounted device) an der Leiterplatte befestigt und/oder leitfähig angebracht sein, etwa über ein Reflow-Verfahren. Allgemein kann die Abdeckung an für eine Drain-Verbindung vorgesehenen Anschlüssen oder Pads der Leiterplatte angeschlossen sein, etwa durch Verlötung, beispielsweise in einem SMD-Verfahren. Es ist vorstellbar, dass die Abdeckung zusätzlich über mindestens ein weiteres Befestigungsmittel an der Leiterplatte befestigt ist, etwa vermittels einer Verschraubung. Die Abdeckung kann als „Can“-Abdeckung ausgebildet sein, welche etwa eine Aufnahme für das Halbleiterschaltelement aufweist. Die Abdeckung kann das Halbleiterschaltelement zusammen mit der Leiterplatte, an welcher die Abdeckung befestigt ist, im Wesentlichen vollständig umgeben. Zumindest ein elektrischer Anschluss des Halbleiterschaltelements, etwa ein Drain-Anschluss, kann elektrisch an die metallische Abdeckung angeschlossen und/oder an dieser geführt sein. Über die Abdeckung kann ein solcher Anschluss vermittels einer oder mehreren Anschlussstellen an die Leiterplatte angeschlossen sein. Es ist vorstellbar, dass die metallische Abdeckung wärmeleitend, insbesondere über eine metallische Leiterbahn, an eine oder mehrere thermische Vias der Leiterplatte angeschlossen ist. Allgemein kann eine thermische Via eine wärmeleitende Verbindung zu einem an der Unterseite der Leiterplatte angeordneten Sekundärkühlkörper bereitstellen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Halbleiterschaltelement über die metallische Abdeckung wärmeleitend mit einem oberhalb der Leiterplatte angeordneten Kühlkörper verbunden ist und vermittels mindestens einer thermischen Via wärmeleitend mit einem unterhalb der Leiterplatte angeordneten Sekundärkühlkörper verbunden ist. Weitere elektrische Anschlüsse des Halbleiterschaltelements, etwa Source- und Gate-Anschlüsse, können jeweils auf der unteren Seite des Halbleiterschaltelements vermittels einer oder mehreren jeweils zugeordneten Anschlussstellen an die Leiterplatte angeschlossen sein. Bei einer Variante können mit der metallischen Abdeckung nicht elektrisch leitend verbundene Anschlüsse und/oder an der Unterseite des Halbleiterschaltelements vorgesehene Anschlüsse wie Source- und/oder Gate-Anschlüsse wärmeleitend mit einem unterhalb der Leiterplatte angeordneten Sekundärkühlkörper verbunden sein, insbesondere ohne mit der oberhalb der Leiterplatte angeordneten Kühleinrichtung oder dem zugeordneten Kühlkörper verbunden zu sein. Dabei kann die metallische Abdeckung und/oder ein mit ihr elektrisch verbundener Anschluss wärmeleitend entweder nur mit der oberen Kühleinrichtung oder sowohl mit der oberen Kühleinrichtung oder dem oberen Kühlkörper als auch mit dem unteren Sekundärkühlkörper verbunden sein. Das Halbleiterschaltelement kann ein Leistungsschaltelement umfassen und/oder als solches ausgebildet sein. Auf den für derartige Leistungsschaltelemente benötigten Fläche lässt sich eine wärmeleitende Verbindung zu einer Kühleinrichtung gut einrichten. Ein Leistungsschaltelement kann dazu ausgebildet sein, Stromstärken von über 0,1 A und/oder über 1A und/oder über 5A und/oder über 10A, und/oder über 30A, durchzuleiten und/oder zu schalten. Das Halbleiterschaltelement kann einen Transistor umfassen und/oder als solcher ausgebildet sein, insbesondere einen Leistungstransistor. Die Kühleinrichtung beziehungsweise der Kühlkörper und die metallische Abdeckung können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere aus unterschiedlichen metallischen Materialien. So kann die metallische Abdeckung insbesondere aus Kupfer ausgebildet sein und die damit verbundene Kühleinrichtung beziehungsweise der Kühlkörper aus Aluminium oder Stahl. Allgemein kann die Kühleinrichtung beziehungsweise der Kühlkörper die obere Oberfläche der metallischen Abdeckung zu mindestens 30% und/oder mindestens 50% und/oder mindestens 75% und/oder im Wesentlichen vollständig bedecken und/oder über dieses Maß in flächigem wärmeleitenden Kontakt mit dieser stehen, insbesondere über eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Zwischenschicht. Ein Kühlkörper einer Kühleinrichtung kann eine oder mehrere an seiner Unterseite ausgebildete Aufnahmen oder Vertiefungen aufweisen, welche zum Aufnehmen und/oder zumindest teilweisen Aufnehmen einer auf einer metallischen Abdeckung angebrachten wärmeleitenden, aber elektrisch isolierenden Zwischenschicht und/oder zum Aufnehmen und/oder zumindest teilweisen Aufnehmen der metallischen Abdeckung ausgebildet sein kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass kein direkter Berührungskontakt und/oder elektrisch leitender Kontakt zwischen einer Wandung der Vertiefung und/oder des Kühlkörpers und der metallischen Abdeckung besteht, etwa indem die Zwischenschicht dazu angeordnet ist, solchen Kontakt zu verhindern.
  • Bei einer Weiterbildung kann die metallische Abdeckung vermittels eines elektrisch isolierenden Wärmeleitmediums in wärmeleitendem Kontakt mit der Kühleinrichtung stehen oder bringbar sein. Somit wird ein unerwünschter Stromfluss durch die Kühleinrichtung vermieden. Das elektrisch isolierende Wärmeleitmedium kann als eine elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Zwischenschicht ausgebildet sein, etwa durch eine Wärmeleitpaste. Eine solche Wärmeleitpaste lässt insbesondere auf einfache Art einen Toleranzenausgleich zu, etwa wenn eine Kühleinrichtung und/oder ein Kühlkörper an den Abdeckungen mehrerer Halbleiterschaltelemente angebracht werden soll. Für Fälle, in denen die Abdeckung und die Kühleinrichtung beziehungsweise der Kühlkörper aus unterschiedlichen metallischen Materialien besteht, etwa die Abdeckung aus Kupfer und die Kühleinrichtung aus Aluminium, können durch die durch das Wärmeleitmedium ausgebildete Zwischenschicht unerwünschter Spannungsaufbau und elektrochemische Reaktionen zwischen den unterschiedlichen Metallen verringert oder vermieden werden.
  • Es kann allgemein eine Wärmeleitpaste zum Bereitstellen eines wärmeleitenden Kontakts vorgesehen sein, welche insbesondere elektrisch nicht leitende und/oder elektrisch isolierende Abstandselemente aufweisen kann. Die Wärmeleitpaste kann als Wärmeleitmedium und/oder Zwischenschicht zwischen Kühleinrichtung beziehungsweise Kühlkörper und der metallischen Abdeckung vorgesehen sein und/oder jeweils damit in wärmeleitendem Kontakt stehen. Alternativ oder zusätzlich kann Wärmeleitpaste als Wärmeleitmedium zwischen der metallischen Abdeckung und einer obersten Schicht des Halbleiterschaltelements vorgesehen sein und/oder jeweils in wärmeleitendem Kontakt damit stehen. Ein Abstandselement kann allgemein aus einem elektrisch nicht leitenden und/oder isolierenden Material bestehen oder ein solches umfassen und kann zusätzlich optional wärmeisolierend oder nicht wärmeleitend sein. Es ist etwa vorstellbar, dass ein Abstandselement aus Glas oder Keramik oder ähnlichem Material besteht oder ein solches umfasst. Die Abstandselemente können eine Mindestgröße aufweisen, etwa eine Mindestausdehnung in eine Richtung, einen Mindestradius oder Mindestdurchmesser, welcher den Mindestabstand zweier Komponenten, zwischen denen die Wärmeleitpaste angeordnet ist, zu definieren vermag. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Größenverteilung von Abstandselementen vorgesehen ist, welche zumindest einen Teilbereich mit einer Mindestgröße aufweist, während auch kleinere Abstandselemente vorhanden sein können. Die Abstandselemente können kugelförmig ausgebildet sein, insbesondere als Glaskugeln und/oder Keramikkugeln. Allgemein können Abstandselemente in die Wärmeleitpaste eingemischt und/oder dieser untergemischt sein.
  • Das Halbleiterschaltelement kann einen MOSFET-Transistor umfassen und/oder als solcher ausgebildet sein. Dabei kann insbesondere der Drain-Anschluss an die metallische Abdeckung angeschlossen sein.
  • Insbesondere kann das Halbleiterschaltelement einen DirectFET-Transistor umfassen und/oder als solcher ausgebildet sein. Die bei einem solchen Transistor vorhandene „Can“ kann als metallische Abdeckung genutzt werden.
  • Insbesondere kann das Halbleiterschaltelement auch einen IGBT umfassen und/oder als solcher ausgebildet sein. Ein IGBT eignet sich insbesondere für höhere Leistungen.
  • Bei einer Variante kann die Kühleinrichtung mit mehreren jeweils an der Leiterplatte angebrachten Abdeckungen von Halbleiterschaltelementen in wärmeleitendem Kontakt stehen oder bringbar sein. Insbesondere kann ein Kühlkörper der Kühleinrichtung dazu ausgebildet sein, mit mehreren metallischen Abdeckungen unterschiedlicher Halbleiterschaltelemente in wärmeleitendem Kontakt zu stehen oder bringbar zu sein. Somit kann ein großer Kühlkörper für eine mehrere Halbleiterschaltelemente umfassende Anordnung verwendet werden. Ein Kühlkörper kann mehrere Aufnahmen aufweisen, welche jeweils zum zumindest teilweise Aufnehmen zugeordneter Zwischenschichten, etwa hierin beschriebene Schichten von Wärmeleitmedium wie Wärmeleitpaste, und/oder zumindest teilweise Aufnehmen zugeordneter metallischer Abdeckungen vorgesehen sein können.
  • Allgemein kann die Kühleinrichtung ein Gerätegehäuse oder Fahrzeugteil sein oder umfassen und/oder mit einem solchen in wärmeleitendem Kontakt stehen oder bringbar sein. Somit kann insbesondere ein ohnehin vorhandener Teil eines Fahrzeugs oder eines in einem Fahrzeug eingesetzten Geräts als Kühleinrichtung oder Kühlkörper dienen, wodurch eine große Kühlfläche bereitgestellt werden kann und ein geringerer Raumbedarf entsteht. Ein Fahrzeugteil kann beispielsweise ein Karosserieteil sein. Es ist vorstellbar, dass ein Gehäuseteil ein Teil eines Gehäuses einer Fahrzeugkomponente wie einer Getriebeschaltung oder eines Steuergeräts bezeichnet.
  • Die Halbleiterschaltelementanordnung kann zur Ansteuerung und/oder Versorgung einer Lenkeinrichtung und/oder Servoeinrichtung und/oder Stabilitätseinrichtung und/oder Antriebseinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet sein. Somit können derartigen Einrichtungen große Ströme zugeführt werden, wobei die die Ströme zuführende Halbleiterschaltelementanordnung gut gekühlt ist. Die Halbleiterschaltelementanordnung kann als Treiber und/oder Versorgungseinrichtung ausgebildet sein. Eine Servoeinrichtung kann insbesondere einer Lenkeinrichtung zugeordnet sein. Es ist vorstellbar, dass eine Stabilitätseinrichtung insbesondere eine Wankstabilitätseinrichtung bezeichnet.
  • Es ist ferner eine Steuergeräteinrichtung für ein Fahrzeug vorgesehen. Die Steuergeräteinrichtung weist mindestens eine hierin beschriebene Halbleiterschaltelementanordnung auf. Eine Steuergeräteinrichtung kann insbesondere ein Gehäuse aufweisen, welches beispielsweise als Kühleinrichtung vorgesehen sein kann, mit welchem die metallische Abdeckung in wärmeleitendem Kontakt steht. Allgemein kann eine Steuergeräteinrichtung an eine Energieversorgung anschließbar sein. Es ist vorstellbar, dass eine Steuergeräteinrichtung eine Steuereinrichtung wie eine integrierte Steuerschaltung und/oder einen Mikroprozessor und/oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder ASIC (application-specific integrated circuit) aufweist, welche zur Steuerung der Halbleiterschaltelementanordnung und/oder einer zugeordneten Servoeinrichtung und/oder Lenkeinrichtung und/oder Stabilitätseinrichtung ausgebildet sein kann. Die Steuergeräteinrichtung kann zur Ansteuerung und/oder gezielten Versorgung einer solchen Servo- und/oder Lenk- und/oder Stabilitätseinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet sein.
  • Außerdem ist die Verwendung einer hierin beschriebenen Halbleiterschaltelementanordnung und/oder einer hierin beschriebenen Steuergeräteinrichtung für ein und/oder in einem Fahrzeug vorgesehen.
  • Allgemein kann ein Fahrzeug ein Landfahrzeug wie ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug bezeichnen, welches insbesondere 2 oder mehr Räder aufweisen kann. Eine Halbleiterschaltelementanordnung kann ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente aufweisen, wobei mehrere Halbleiterschaltelemente insbesondere auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet oder angebracht sein können. Allgemein kann eine Halbleiterschaltelementanordnung Anschlüsse und/oder Leitungen und/oder elektrische Bauteile und/oder ein Gehäuse aufweisen.
  • Eine Halbleiterschaltelementanordnung zur Ansteuerung und/oder Versorgung einer Servoeinrichtung kann insbesondere mindestens oder genau 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 Leistungstransistoren aufweisen, welche jeweils als Halbleiterschaltelemente mit eigener metallischer Abdeckung ausgebildet sein können. Diese Leistungstransistoren können flächig auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein und von einem oberen Kühlkörper abgedeckt sein, welcher jeweils in wärmeleitendem Kontakt mit der Abdeckung des Transistors stehen kann, etwa über eine hierin beschriebene Zwischenschicht aus Wärmeleitmedium wie Wärmeleitpaste, insbesondere wenn diese Abstandselemente zur Abstandsregulierung aufweist. Es können hierin beschriebene Vertiefungen im Kühlkörper vorgesehen sein.
  • Im Folgenden werden Beispiele für Halbleiterschaltelementanordnungen anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung;
  • 2 schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung mit einer oberen Kühleinrichtung; sowie
  • 3 schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung mit oberem und unterem Kühlkörper.
  • 1 zeigt schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung 100 mit einer Leiterplatte 105, welche in diesem Beispiel als gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist. Auf der Leiterplatte 100 ist ein Halbleiterschaltelement 110 in Form eines MOSFET-Transistors oder DirectFET-Transistors mit Sperrschicht (Junction) 115 angeordnet. Das Halbleiterschaltelement 110 weist ferner an seiner Unterseite wenigstens einen Gate-Anschluss 120 und Source-Anschlüsse 125 auf, welche geeignete Pads oder Lötflächen aufweisen und vermittels eines Oberflächenmontageverfahrens auf die Leiterplatte 105 gelötet sind. Eine wannenartig ausgebildete metallische Abdeckung oder „Can“ 130 deckt die Oberseite des Halbleiterschaltelements 110 ab und bildet eine Aufnahme für das Halbleiterschaltelement 110. Das Halbleiterschaltelement 110 ist bevorzugterweise in der Vertiefung der metallischen Abdeckung 130 mechanisch befestigt und zwar vorzugsweise derart, dass ein guter Wärmeübergang zur Abdeckung 130 besteht. Dazu kann eine flächige Verbindung gewählt sein, beispielsweise mittels einer aushärtbaren Verbindungsmasse. Die Verbindung kann auch elektrisch leitfähig sein. In diesem Fall kann die Abdeckung 130 etwa mit dem Drain des Halbleiterschaltelements 110 verbunden sein. Über seitlich nach unten geführte Verbindungsabschnitte 135, welche jeweils durch den Rand der Wanne der Abdeckung 130 gebildet sein können, kann die metallische Abdeckung 130 in elektrisch leitender Verbindung mit der Leiterplatte 105 stehen. Dazu können die Verbindungsabschnitte 135 an Lötstellen oder Pads 140 ebenfalls durch Ober-flächenmontageverfahren angelötet sein. Dadurch kann eine elektrische Verbindung des Drains des Halbleiterschaltelements 110 mit der Leiterplatte 105 bereitgestellt werden. Außerdem kann eine mechanische Befestigung des Halbleiterschalt-elements 110 an der Leiterplatte 105 realisiert sein. Auf der metallischen Abdeckung 130, genauer gesagt, auf der oberen Fläche der metallischen Abdeckung 130, ist bevorzugterweise eine elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Schicht 145 vorgesehen. Auf die Schicht 145 aufgesetzt ist ein Kühlkörper 150 einer Kühleinrichtung, welcher beispielsweise aus Aluminium hergestellt ist und Wärmeabgabe-rippen 155 mit Wärmeabgabeflächen aufweist. Die Schicht 145 ist in diesem Beispiel als Wärmeleitpaste ausgebildet, in welcher in einer Ausführungsform elektrisch isolierende Abstandselemente, beispielsweise in Form von Glas- und/oder Keramik-kügelchen aufgenommen sind. Die größten Abstandselemente definieren dabei einen Mindestabstand zwischen Kühlkörper 150 und metallischer Abdeckung 130. Durch die Pfeile in 1 sind mögliche Wege angedeutet, entlang welcher Wärme aus dem Halbleiterschaltelement 110 zu strömen vermag. Über die Anschlüsse 120 für das Gate, die Source-Anschlüsse 125 und die Drain-Lötstellen 140 kann Wärme in Richtung der Leiterplatte 105 strömen und gegebenenfalls durch (nicht dargestellte) thermische Vias durch die Leiterplatte 105 geleitet werden, etwa zu einem (nicht dargestellten) an der Unterseite der leiterplatte 105 vorgesehenen Sekundärkühlkörper. Wärme aus Source und Gate kann somit im Wesentlichen nach unten abgeführt werden. Über die metallische Abdeckung 130 und die Wärmeleitpaste 145 kann Wärme aus dem Drain des Halbleiterschaltelements 110 ebenfalls nach unten oder andererseits auch nach oben in den Kühlkörper 150 geleitet werden. Dabei kann insbesondere mittels eines großflächigen wärmeleitenden Kontakts zwischen dem Kühlkörper 150 und der metallischen Abdeckung 130 für eine effiziente Wärmeabfuhr nach oben gesorgt sein.
  • 2 zeigt schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung 200 mit einer Leiterplatte 205, an welcher ein MOSFET-Halbleiterschaltelement 210 mit Sperrschicht 215 angeschlossen ist. Insbesondere ist die Leiterplatte 205 über die Anschlüsse für Gate 220, Source 225 an der Unterseite des Halbleiterschaltelements 210 an dieses angeschlossen. Ferner ist eine an den Drain des Halbleiterschaltelements 210 angeschlossene, in diesem Beispiel aus Kupfer bestehende metallische Abdeckung 130 vorgesehen, welche über die Verbindungsabschnitte 235 und die Anschlüsse 240 ebenfalls an die Leiterplatte 205 angeschlossen ist. Die in 2 gezeigte Anordnung entspricht weitgehend der in 1 gezeigten. Allerdings ist in diesem Beispiel der Kühlkörper 250 derart ausgebildet, dass er eine Aufnahme 260 aufweist, in welcher die Wärmeleitpaste 245 aufgenommen ist. So kann die Wärmeleitpaste 245 vor der Montage des Kühlkörpers 250 am Halbleiterschaltelement 210 in die Aufnahme 260 gefüllt werden, wodurch die Dosierung der Wärmeleitpaste 245 und die anschließende Montage am Halbleiterschaltelement 210 vereinfacht sein kann.
  • 3 zeigt schematisch eine Halbleiterschaltelementanordnung 300 mit zwei Halbleiterschaltelementen 310, welche jeweils über vereinfacht dargestellte Kombinationen jeweils aus metallischer Abdeckung 330 und wärmeleitender, aber elektrisch isolierender Zwischenschicht 345 in wärmeleitendem Kontakt mit einem an der Oberseite der Leiterplatte 305 vorgesehenen Kühlkörper 350 stehen. An der Unterseite der Leiterplatte 305 kann ein Sekundärkühlkörper 365 angeordnet sein, der beispielsweise über Schichten 375 in wärmeleitendem Kontakt mit der Leiterplatte 305 und insbesondere mit den daran angeschlossenen, nicht näher gezeigten Source- und Gate-Anschlüssen sowie den Drain-Lötstellen der Halbleiterschaltelemente 310 steht. Der obere Kühlkörper 350 und der untere Sekundärkühlkörper 365 können vermittels einer aus einem Metallkern 370 gebildeten Wärmeleitverbindung miteinander in wärmeleitendem Kontakt stehen. Der Metallkern 370 ist durch eine Durchgangsöffnung der Leiterplatte 305 bevorzugterweise derart geführt, dass er gegen elektrische Anschlüsse und Leiterbahnen elektrisch isoliert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Halbleiterschaltelementanordnung
    105
    Leiterplatte
    110
    Halbleiterschaltelement
    115
    Sperrschicht
    120
    Gate-Anschluss
    125
    Source-Anschlüsse
    130
    metallische Abdeckung
    135
    Verbindungsabschnitt
    140
    Drain-Lötstelle
    145
    Wärmeleitpaste
    150
    Kühlkörper
    155
    Wärmeabgaberippen
    200
    Halbleiterschaltelementanordnung
    205
    Leiterplatte
    210
    Halbleiterschaltelement
    215
    Sperrschicht
    220
    Gate-Anschluss
    225
    Source-Anschlüsse
    230
    metallische Abdeckung
    235
    Verbindungsabschnitt
    240
    Drain-Lötstelle
    245
    Wärmeleitpaste
    250
    Kühlkörper
    260
    Aufnahme
    300
    Halbleiterschaltelementanordnung
    305
    Leiterplatte
    310
    Halbleiterschaltelement
    330
    metallische Abdeckung
    345
    Zwischenschicht
    350
    Kühlkörper
    365
    Sekundärkühlkörper
    370
    Metallkern
    375
    Schichtanordnung
  • 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 102010002138 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) für den Einsatz in einem Fahrzeug, wobei die Halbleiterelementanordnung umfasst: – eine Leiterplatte (105, 205, 305); – ein an der Leiterplatte (105, 205, 305) angebrachtes Halbleiterschaltelement (110, 210, 310), welches von einer an der Leiterplatte (105, 205, 305) angebrachten metallischen Abdeckung (130, 230, 330) abgedeckt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Abdeckung (130, 230, 330) in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühleinrichtung (150, 250, 350) steht oder bringbar ist.
  2. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Abdeckung (130, 230, 330) vermittels eines elektrisch isolierenden Wärmeleitmediums (145, 245, 345) in wärmeleitendem Kontakt mit der Kühleinrichtung (150, 250, 350) steht oder bringbar ist.
  3. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitpaste (245) zum Bereitstellen eines wärmeleitenden Kontakts vorgesehen ist, welche insbesondere elektrisch nicht leitende Abstandselemente aufweisen kann.
  4. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (110, 210, 310) einen MOSFET-Transistor umfasst und/oder als solcher ausgebildet ist.
  5. Halbleiterschaltanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (110, 210, 310) einen DirectFET-Transistor umfasst und/oder als solcher ausgebildet ist.
  6. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterschaltelement (110, 210, 310) einen IGBT-Transistor umfasst und/oder als solcher ausgebildet ist.
  7. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (150, 250, 350) mit mehreren jeweils an der Leiterplatte (105, 205, 305) angebrachten Abdeckungen (130, 230, 330) von Halbleiterschaltelementen (110, 210, 310) in wärmeleitendem Kontakt steht oder bringbar ist.
  8. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (150, 250, 350) ein Fahrzeugteil und/oder ein Gehäuseteil ist oder umfasst und/oder mit einem solchen in wärmeleitendem Kontakt steht oder bringbar ist.
  9. Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschaltelementanordnung (110, 210, 310) zur Ansteuerung und/oder Versorgung einer Servoeinrichtung und/oder Lenkeinrichtung und/oder Stabilitätseinrichtung und/oder Antriebseinrichtung mit elektrischem Strom ausgebildet ist.
  10. Steuergeräteinrichtung für ein Fahrzeug mit einer Halbleiterschaltelementanordnung (110, 210, 310) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Verwendung einer Halbleiterschaltelementanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Steuergeräteinrichtung nach Anspruch 10 in einem Fahrzeug.
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