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Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitermodulanordnung mit einer Halbleiterbaugruppe und zwei Kühlkörpern sowie mit mindestens einem Befestigungsmittel, welches die Halbleiterbaugruppe fest an den Kühlkörpern positioniert, wobei die Halbleiterbaugruppe eine Unterseite mit einer ersten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der erste Kühlkörper eine Oberseite mit einer zweiten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei die Halbleiterbaugruppe eine Oberseite mit einer dritten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der zweite Kühlkörper eine Unterseite mit einer vierten Wärmekontaktfläche aufweist.
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Zum Steuern des Stromflusses durch elektrische Lasten werden häufig Wechselstromsteller oder Drehstromsteller verwendet. Bei einem Wechselstromsteller befindet sich in einer der beiden Stromzuführungen eine elektronische Leistungsteilbaugruppe. Bei einem Drehstromsteller befinden sich in zwei der drei oder auch in allen drei Stromzuführungen elektronische Leistungsteilbaugruppen. Die Leistungsteilbaugruppen bestehen in der Regel aus antiparallel geschalteten Halbleiterbaugruppen.
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Als Halbleiterbaugruppe wird ein Verbund aus einem Halbleiterelement sowie aus verschiedenen, ebenen Bauelementen wie Scheiben, Plättchen oder Ähnlichem bezeichnet, die auf einer der beiden Seiten des Halbleiterelements dieses kontaktieren. Die Halbleiterelemente können zum Beispiel Thyristoren, rückwärts sperrende IGBT oder Ähnliches sein. Die Kontaktierung zwischen den ebenen Bauelementen und dem Halbleiter, aber auch zwischen den ebenen Bauelementen untereinander, kann stoff- und/oder kraftschlüssig sein.
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Bei der Stromflusssteuerung entsteht in den Halbleiterbaugruppen eine elektrische Verlustleistung, die diese erwärmt und ohne eine entsprechende Wärmeabfuhr zu deren Zerstörung in Folge einer Überhitzung führt. Die Wärmeabfuhr von den Halbleiterbaugruppen kann über eine der beiden flächigen Seiten oder auch über beide flächigen Seiten erfolgen. Die Wärmeabfuhr über beide flächigen Seiten wird auch doppelseitige Kühlung genannt und hat den Vorteil gegenüber der Wärmeabfuhr über nur eine flächige Seite, ungefähr die doppelte Menge an elektrischen Verlusten abführen zu können, bei gleicher Temperaturerhöhung des Leistungshalbleiters. Die doppelseitige Kühlung erlaubt damit eine ca. doppelt so hohe Ausnutzung der Halbleiterbaugruppe als die einseitige Kühlung. Bei der doppelseitigen Kühlung geben die Halbleiterbaugruppen über beide flächige Seiten die Wärme an Wärmesenken ab, die in der Regel aus massivem Material, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, bestehen. Diese können zusätzlich mit geeigneten Mitteln zur Oberflächenvergrößerung wie zum Beispiel Kühlrippen, versehen sein, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern. Im weiteren werden die Begriffe Kühlkörper und Wärmesenke gleichbedeutend verwendet.
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Ein leistungsoptimierter Wärmeübergang und damit eine möglichst geringe Erwärmung der Halbleiterbaugruppen lassen sich dann erzielen, wenn ein geringer thermischer Kontaktwiderstand zwischen den Halbleiterbaugruppen und den Wärmesenken erzielt wird. Hierzu wird auf die Halbleiterbaugruppen ein mechanischer Druck aufgebracht, wobei die Wärmesenken mit entsprechenden konstruktiven Mitteln versehen werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der thermische Kontaktwiderstand mit zunehmendem Druck abnimmt, was dazu führt, dass hohe Drücke angestrebt werden. Diese Druckaufbringung ist somit mit einer hohen mechanischen Druckbelastung der Halbleiterbaugruppen verbunden. Um eine mechanische Zerstörung zu vermeiden, aber auch um einen in der Kontaktfläche homogenen Wärmeübergang zu gewährleisten, muss der mechanische Druck möglichst gleichmäßig auf die beiden Halbleiterbaugruppen aufgebracht werden. Dies führt dazu, dass die Kontaktseiten an der Halbleiterbaugruppe und an der Wärmesenke eben ausgeführt sein müssen.
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Da die Halbleiterbaugruppen aus mehreren flächigen Elementen unterschiedlicher Dicke bestehen und diese Dicken immer unvermeidliche Toleranzen aufweisen, ist die Gesamtdicke einer Halbleiterbaugruppe ebenfalls toleranzbehaftet. Sind die Wärmesenken aus entsprechend massivem Material mit entsprechend minimaler Verformbarkeit, ist es wegen des Dickeunterschieds der beiden Halbleiterbaugruppen sehr schwierig oder nicht möglich, beide Halbleiterbaugruppen gleichzeitig mit einem homogenen Druck zu beaufschlagen. Aus diesem Grund wird häufig in einer der beiden Wärmesenken eine mechanische Schwächung, zum Beispiel eine Nut eingebracht. Alternativ wird eine der beiden Wärmesenken zweiteilig ausgeführt, wobei die beiden Teile dann mit einer flexiblen Verbindung, zum Beispiel einem Flachkupferverbinder, elektrisch leitend miteinander verbunden werden, da die Wärmesenken normaler Weise auch der Zu- und Abfuhr des elektrischen Stroms zu den Hauptleiterbaugruppen hin dienen.
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Hierzu ist aus der
DE 100 22 341 B4 ein elektronisches Leistungsmodul bekannt mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens einem Kühlkörper zur Abführung der Verlustwärme der Halbleiterelemente. Zudem weist das elektronische Leistungsmodul zwei elektrische und wärmeleitende Schienen auf, zwischen welchen die beiden Halbleiterelemente über eine Druckkontaktierung eingespannt sind.
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Aus der
DE 10 2006 045 696 B3 ist ein elektronisches Leistungsmodul bekannt mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens zwei leitenden Schienen, zwischen welchen die Halbleiterelemente über eine Druckkontaktierung gespannt sind. Dieses elektronische Leistungsmodul sieht vor, dass mindestens eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich gegenüberliegenden Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene zwischen den Aussparungen einen Steg bildet.
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Der Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besteht darin, dass diese Lösungen einen erheblichen konstruktiven Aufwand erfordern.
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Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Leistungshalbleitermodulanordnung zu schaffen, die einen erheblich vereinfachten Aufbau bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leistungshalbleitermodulanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Leistungshalbleitermodulanordnung mit einer Halbleiterbaugruppe und zwei Kühlkörpern sowie mit mindestens einem Befestigungsmittel gelöst, welches die Halbleiterbaugruppe fest an den Kühlkörpern positioniert, wobei die Halbleiterbaugruppe eine Unterseite mit einer ersten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der erste Kühlkörper eine Oberseite mit einer zweiten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei die Halbleiterbaugruppe eine Oberseite mit einer dritten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der zweite Kühlkörper eine Unterseite mit einer vierten Wärmekontaktfläche aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Befestigungsmittel als Spannschraube (11) ausgebildet ist, welche in einer ersten Federelementeinheit (12) gelagert ist.
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Gemäß der Erfindung werden eine Spannschraube und eine Federelementeinheit verwendet, um beide Halbleiterbaugruppen gleichzeitig und gleichmäßig mit Druck zu beaufschlagen. Die Federelementeinheit kann eine geeignet flexible Druckplatte mit entsprechender Federkonstante sein. Sie kann auch aus einer starren Druckplatte und einem Federpaket in Form von gestapelten Federscheiben bestehen. Ebenso ist eine Kombination aus flexibler Druckplatte und Federpaket möglich. Die Kraft und damit der Duck auf beide Halbleiterbaugruppen kann mit Kenntnis der Federkonstante der Federelementeinheit und der Gewindesteigung der Spannschraube durch eine feste Anzahl an Umdrehungen beziehungsweise Teilen ohne weitere Hilfsmittel aufgebracht werden.
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Im Gegensatz dazu sind bei den bisherigen Lösungen aufwändige Fertigungsmittel erforderlich, um eine einigermaßen gleiche Vorspannung der einzelnen Federpakete zu erreichen. Die Fertigung der hier vorgestellten Einheit ist leicht und mit geringem Aufwand an Fertigungsmitteln möglich, ebenso wäre ein Austausch der Halbleiterbaugruppen im Reparaturfall einfach vorzunehmen.
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Die hier vorgestellte Lösung zeichnet sich durch eine erheblich vereinfachte Spannvorrichtung aus, für die deutlich geringere Materialkosten anfallen. Zudem ist der Fertigungsprozess sehr einfach und mit geringen Fertigungsinvestitionen möglich. Die Herstellung lässt sich deshalb sehr kosteneffizient umsetzen.
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Außerdem müssen hinsichtlich der geforderten gleichmäßigen Druckaufbringung auf die Halbleiterbaugruppen keine Einschränkungen gemacht werden. Ein Reparaturkonzept, wie es heutzutage häufig gefordert wird, lässt sich damit ebenfalls leicht umsetzen. Die erhöhte Robustheit der gesamten Leistungsteilbaugruppe in Folge der gleichmäßigen Druckbeaufschlagung der Halbleiterbaugruppen erhöht die Lebensdauer der Geräte und reduziert damit Fehler, deren Behebung Kosten verursachen.
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Eine erfindungsgemäße Weiterführung des Konzepts kann darin bestehen, dass die erste Federelementeinheit in Form von Federscheiben ausgebildet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Spannschraube zunächst durch die Federscheiben, dann durch eine mögliche Unterlegscheibe in eine Isolierhülse und durch eine zweite Federelementeinheit geführt wird, bevor sie durch den zweiten Kühlkörper, die Halbleiterbaugruppe und den ersten Kühlkörper erreicht.
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In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Spannschraube durch eine Isolierhülse geführt ist. Die Isolierhülse ist für die mechanische Aufgabe der Druckaufbringung nicht notwendig. Sie stellt nur die elektrische Funktion sicher, indem sie den Kurzschluss der beiden Hauptleiterbaugruppen durch die elektrisch leitende Spannschraube verhindert.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiteres Konzept darin bestehen, dass die Spannschraube durch eine zweite Federelementeinheit geführt ist. Die zweite Federelementeinheit kann flächige Druckflächen aufweisen, die bezüglich der Halbleiterbaugruppen mittig liegen. Dadurch wird eine mittige Krafteinleitung auf eine gleichmäßige Druckverteilung an die Kontaktflächen der Halbleiterbaugruppen erreicht.
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In einer weiteren speziellen Fortführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die zweite Federelementeinheit als Druckplatte ausgebildet ist. Die Kraft und damit der Druck auf beide Halbleiterbaugruppen kann mit Kenntnis der Federkonstante der Federelementeinheiten und der Gewindesteigung der Spannschraube durch eine feste Anzahl an Umdrehungen beziehungsweise Teilen ohne weitere Hilfsmittel aufgebracht werden. Die Federkonstruktion ist somit zweiteilig ausgeführt und kann hinsichtlich der Federkonstante auf die jeweilige Leistungshalbleitermodulanordnung angepasst werden.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiteres Konzept darin bestehen, dass die Druckplatte in U-Form ausgebildet ist mit zwei Schenkeln und einem Übergangsbereich, wobei die Spannschraube durch den Übergangsbereich der Druckplatte geführt ist. Diese spezielle Ausführung der Druckplatte ermöglicht eine Leistungshalbleitermodulanordnung mit einer geringen Bauhöhe.
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In einer weiteren speziellen Fortführung dieses erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass der Übergangsbereich der Druckplatte in einer Senke innerhalb des zweiten Kühlkörpers angeordnet ist. Diese Anordnung führt zu einer geringeren Bauhöhe der Leistungshalbleitermodulanordnung.
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In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass der zweite Kühlkörper zwei Kühlelemente aufweist, die über Stege miteinander verbunden sind. Der zweite Kühlköper ist vorzugsweise mit einem Doppelsteg versehen, um Toleranzen hinsichtlich der Bauhöhe der beiden Halbleiterbaugruppen ausgleichen zu können, ohne die gleichmäßige Druckverteilung zu behindern.
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Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung weist eine Halbleiterbaugruppe mit einer Unterseite auf, die als erste Wärmekontaktfläche dient. An der Unterseite der Halbleiterbaugruppe ist ein erster Kühlkörper angeordnet, der vorzugsweise Kühlrippen aufweist und eine Oberseite, die als zweite Wärmekontaktfläche dient. Die erste Wärmekontaktfläche der Halbleiterbaugruppe liegt an der zweiten Wärmekontaktfläche des ersten Kühlkörpers an. Um die Halbleiterbaugruppe kann eine Gehäuserahmung ausgebildet sein. Oberhalb der Gehäuserahmung ist ein zweiter Kühlkörper angeordnet, der vorzugsweise zwei Kühlelemente aufweist, die über mindestens einen Steg, vorzugsweise einen Doppelsteg miteinander verbunden sind, wobei die Halbleiterbaugruppe eine Oberseite mit einer dritten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der zweite Kühlkörper eine Unterseite mit einer vierten Wärmekontaktfläche aufweist. Diese Anordnung aus der Halbleiterbaugruppe, der Gehäuserahmung und den zwei Kühlkörpern wird durch eine Spannvorrichtung positionsstabil aneinander befestigt. Die Spannvorrichtung weist eine Spannschraube auf, die durch eine erste Federelementeinheit, beispielsweise Federscheiben, geführt ist. Des Weiteren kann die Spannschraube durch eine Unterlegscheibe, eine Isolierhülse und eine zweite Federelementeinheit geführt sein. Die zweite Federelementeinheit kann dabei als Druckplatte ausgebildet sein. Die so bestückte Spannschraube wird durch den zweiten Kühlkörper und die Halbleiterbaugruppe in den ersten Kühlkörper eingedreht.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen schematisch:
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1 in einer Explosionsdarstellung eine erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung;
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2 in einer perspektivischen Darstellung die erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung nach 1 im zusammengebauten Zustand;
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3 in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung nach 1 und 2;
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4 in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines ersten Kühlkörpers;
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5 in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Kühlkörpers;
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6 in einer Draufsicht den Kühlkörper nach 5;
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7 in einer perspektivischen Darstellung eine zweite Federelementeinheit.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung. Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung weist eine Halbleiterbaugruppe 1 mit einer Unterseite 2 auf, die als erste Wärmekontaktfläche dient. An der Unterseite 2 der Halbleiterbaugruppe 1 ist ein erster Kühlkörper 3 angeordnet, der vorzugsweise Kühlrippen 4 aufweist und eine Oberseite 5, die als zweite Wärmekontaktfläche dient. Die erste Wärmekontaktfläche der Halbleiterbaugruppe 1 liegt an der zweiten Wärmekontaktfläche des ersten Kühlkörpers 3 an. Um die Halbleiterbaugruppe 1 kann eine Gehäuserahmung 6 ausgebildet sein. Oberhalb der Gehäuserahmung 6 kann ist ein zweiter Kühlkörper 7 angeordnet, der vorzugsweise zwei Kühlelemente 8, 9 aufweist, die über mindestens einen Steg 10, vorzugsweise einen Doppelsteg miteinander verbunden sind, wobei die Halbleiterbaugruppe (1) eine Oberseite (2a) mit einer dritten Wärmekontaktfläche aufweist und wobei der zweite Kühlkörper (7) eine Unterseite (7a) mit einer vierten Wärmekontaktfläche aufweist. Diese Anordnung aus der Halbleiterbaugruppe 1, der Gehäuserahmung 6 und den zwei Kühlkörpern 3, 7 wird durch eine Spannvorrichtung positionsstabil aneinander befestigt.
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Die Spannvorrichtung weist eine Spannschraube 11 auf, die durch eine erste Federelementeinheit 12 beispielsweise Federscheiben geführt ist. Des Weiteren kann die Spannschraube 11 durch eine Unterlegscheibe 13, eine Isolierhülse 14 und eine zweite Federelementeinheit 15 geführt sein. Die zweite Federelementeinheit 15 kann dabei als Druckplatte ausgebildet sein. Die so bestückte Spannschraube 11 wird durch den zweiten Kühlkörper 7 und die Halbleiterbaugruppe 1 in den ersten Kühlkörper 3 eingedreht.
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2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Leistungshalberleitermodulanordnung im zusammengebauten Zustand. Die 2 und 3 zeigen die Spannschraube 11, die durch eine erste Federelementeinheit 12, beispielsweise eine Federscheibe, geführt ist. Des Weiteren kann die Spannschraube 11 durch eine Unterlegscheibe 13, die Isolierhülse 14 und eine zweite Federelementeinheit 15 in Form einer Druckplatte geführt sein. Die so bestückte Spannschraube 11 wird durch den zweiten Kühlkörper 7 und die Halbleiterbaugruppe 1 in den ersten Kühlkörper 3 eingedreht.
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines ersten Kühlkörpers 3 dargestellt. Der erste Kühlkörper 3 kann mit Kühlrippen 4 versehen sein und weist vorzugsweise zwei ausgefräste Flächenbereiche auf, die der Oberseite 5 bzw. der zweiten Wärmekontaktfläche entsprechen und die Halbleiterelemente aufnehmen und in ihrer Position fixieren.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des zweiten Kühlkörpers 7. Der zweite Kühlkörper 7 weist vorzugsweise zwei quaderförmig ausgebildete Kühlelemente 8, 9 auf, die über einen Steg, insbesondere einen Doppelsteg miteinander verbunden sind.
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6 zeigt den Kühlkörper 7 in einer Draufsicht mit den Stegen 10.
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In 7 ist ein Ausführungsbeispiel für eine zweite Federelementeinheit 15 dargestellt in Form einer Druckplatte. Die Druckplatte ist vorzugsweise quaderförmig ausgebildet und weist vorzugsweise mittig eine Durchbohrung 16 auf.
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Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodulanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Halbleiterbaugruppe gewährleistet werden kann, wobei die Spannvorrichtung eine einfache Handhabung aufweist und mit geringen Materialkosten zu erreichen ist. Die erhöhte Robustheit der gesamten Leistungshalbleitermodulanordnung in Folge der gleichmäßigen Druckbeaufschlagung der Halbleiterbaugruppe erhöht die Lebensdauer der Geräte und reduziert damit den Geräteausfall, wobei eine Reparatur bei der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodulanordnung leicht umzusetzen ist. Von Vorteil ist insbesondere das zweiteilig ausgeführte Federkonzept mit einer ersten Federelementeinheit vorzugsweise in Form von Federscheiben und einer zweiten Federelementeinheit vorzugsweise in Form einer Druckplatte. Dieses Federkonzept zeichnet sich durch eine Variabilität aus, die eine Anpassung an die jeweiligen gewünschten Bedingungen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterbaugruppe
- 2
- Unterseite
- 2a
- Oberseite
- 3
- erster Kühlkörper
- 4
- Kühlrippen
- 5
- Oberseite
- 6
- Gehäuserahmung
- 7
- zweiter Kühlkörper
- 7a
- Unterseite
- 8
- Kühlelement
- 9
- Kühlelement
- 10
- Steg
- 11
- Spannschraube
- 12
- erste Federelementeinheit
- 13
- Unterlegscheibe
- 14
- Isolierhülse
- 15
- zweite Federelementeinheit
- 16
- Durchbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10022341 B4 [0007]
- DE 102006045696 B3 [0008]
