DE102015219791A1

DE102015219791A1 - Halbleitermodul, Stromrichter und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015219791A1
Application number: DE102015219791.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Pfeifer; Jürgen Zettner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul 1, insbesondere für einen Stromrichter 20 eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs 21. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Stromrichter 20, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs 21, aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul 1. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug 21, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend zumindest einen Elektromotor 22 und zumindest einen derartigen Stromrichter 21. Um die Entwärmung bei einem Halbleitermodul 1 bzw. bei einem Stromrichter 20 zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Halbleitermodul 1 zumindest einen Halbleiterchip 2 und ein elektrisch isolierendes Material aufweist, welches den jeweiligen Halbleiterchip 1 zumindest teilweise umgibt und mit welchem der jeweilige Halbleiterchip 1 in thermischem Kontakt ist, wobei das elektrisch isolierende Material als Matrixmaterial 3 eines Verbundwerkstoffs fungiert und wobei der Verbundwerkstoff ein Füllmaterial 4 mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/mK, vorzugsweise zumindest 100 W/mK, aufweist. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Stromrichter 20 bzw. das Fahrzeug 21 zumindest ein derartiges, vorgeschlagenes Halbleitermodul 1 bzw. zumindest einen Elektromotor 22 und zumindest einen derartigen, vorgeschlagenen Stromrichter 20 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere für einen Stromrichter eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend zumindest einen Elektromotor und zumindest einen derartigen Stromrichter.
Ein derartiges Halbleitermodul kommt beispielsweise bei Sanftstartern oder bei Stromrichtern, insbesondere innerhalb eines Antriebsstranges eines Hybrid- oder Elektroautos, zum Einsatz.
Bei Halbleitermodulen von Sanftstartern fehlt oftmals eine Bodenplatte, welche in der Regel aus Kupfer ist, so dass schnelle bzw. kurzzeitige Temperaturschwankungen wie beim Hochlaufen der Lastmaschine problematisch sind, da die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann. Somit ist das thermische Überfahren nur begrenzt möglich.
Bisher wurde die zugeführte Verlustleistung bzw. Verlustwärme fast ausschließlich über die DCB (Direct-Bonded-Copper-Substrat) und weiter durch eine Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper abgegeben.
Aus der EP 2 816 083 A1 ist ein Bauteil hergestellt aus einem Polymer-Bornitrid-Compound bekannt, wobei das Polymer-Bornitrid-Compound zumindest einen Polymerwerkstoff, zumindest einen wärmeleitenden Füllstoff und zumindest einen Verstärkungsfüllstoff umfasst, wobei der zumindest eine wärmeleitende Füllstoff Bornitrid-Agglomerate umfasst.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Entwärmung bei einem Halbleitermodul bzw. bei einem Stromrichter zu verbessern.
Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei dem Halbleitermodul der eingangs genannten Art dadurch, dass das Halbleitermodul einen Halbleiterchip und ein elektrisch isolierendes Material aufweist, welches den jeweiligen Halbleiterchip zumindest teilweise umgibt und mit welchem der jeweilige Halbleiterchip in thermischem Kontakt ist, wobei das elektrisch isolierende Material als Matrixmaterial eines Verbundwerkstoffs fungiert wobei und der Verbundwerkstoff ein Füllmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/mK, vorzugsweise zumindest 100 W/mK, aufweist.
Eine weitere Lösung der Aufgabe ergibt sich durch einen Stromrichter bzw. ein Fahrzeug der eingangs genannten Art dadurch, dass der Stromrichter bzw. das Fahrzeug zumindest ein derartiges, vorgeschlagenes Halbleitermodul bzw. zumindest einen Elektromotor und zumindest einen derartigen, vorgeschlagenen Stromrichter aufweist.
Durch die vergleichsweise gute Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs erhöht, wodurch die Entwärmung des Halbleitermoduls verbessert wird. Hierzu sind das Matrixmaterial und somit auch der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit dem jeweiligen Halbleiterchip, wozu der Verbundwerkstoff den jeweiligen Halbleiterchip beispielsweise berührt bzw. auf diesem aufliegt.
Insbesondere bei Sanftstartern ohne eine Bodenplatte, aber auch bei Stromrichtern mit einer Bodenplatte, wird mit dem vorgeschlagenen Halbleitermodul eine Wärmespreizung oder Wärmepufferung erreicht. Dies ist möglich, obwohl die üblicherweise eingesetzten Materialien in ihrer bisherigen Zusammensetzung die Wärme aufgrund einer geringen spezifischen Wärmekapazität von C < 2000 J/(K·kg) und einer geringen Dichte von typischerweise 1 g/cm³ nicht aufnehmen können bzw. aufgrund einer geringen Wärmeleitfähigkeit von typischerweise « 1 W/mK nicht weiterleiten können.
Durch das Vorsehen des vorgeschlagenen Verbundwerkstoffs bzw. dessen neue Zusammensetzung kann die während des Betriebs entstehende Wärme des Halbleiterchips im Inneren des Moduls gut aufgenommen bzw. weitergeleitet werden. Dadurch wird die Verlustleistung im Modul besser verteilt und die gewünschte Kühlung bzw. Entwärmung erreicht.
Von Vorteil ist bei dem vorgeschlagenen Halbleitermodul somit insbesondere, dass die Temperaturbelastung im Modul durch die Beimischung des Füllmaterials vermindert bzw. besser verteilt wird. Dies ermöglicht zum einen ein wiederholtes Hoch- und Herunterfahren, auch in kurzen Abständen, und zum anderen eine Reduktion der Größe eines Kühlkörpers des Halbleitermoduls. Weiterhin kann der vorgeschlagene Stromrichter bzw. Sanftstarter dank der Beimischung des Füllmaterials überfahren und besser ausgenutzt werden.
Beispielsweise kann das Füllmaterial als Pulver, in Klumpen-(englisch „platelets“) oder Pelletform dem Matrixmaterial zugesetzt werden, um den Verbundwerkstoff zu erhalten.
Generell werden Materialien als elektrisch isolierend angesehen, wenn sie einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10¹² Ω·mm²/m oder mehr aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs durch das Vorhanden-Sein des Füllmaterials um zumindest 2 W/mK, vorzugsweise zumindest 10 W/mK, erhöht.
Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs um zumindest 2 W/mK bzw. zumindest 10 W/mK bezieht sich dabei auf die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs inklusive dem Füllmaterial verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials ohne das Füllmaterial. D.h. die genannte Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit wird durch das Einbringen des Füllmaterials erreicht, so dass dadurch auch eine entsprechend verbesserte Entwärmung bzw. Kühlung des Halbleitermoduls gewährleistet wird.
Bei besonders vorteilhaften Füllmaterialien kann auch eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um etwa 15 W/mK erreicht werden.
Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials kann je nach Wahl des Füllmaterials eine Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs von zumindest 2 W/mK bzw. zumindest 10 W/mK, teils sogar 15 W/mK, erreicht werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Matrixmaterial eine Gelmischung, ein Epoxidharz und/oder ein Spritzpress-Material auf.
Die Gelmischung bzw. das Epoxidharz ist vorzugsweise mittels Gießen am Halbleiterchip angebracht, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Halbleiterchip und dem Matrixmaterial gewährleistet wird. Auch mit dem Spritzpress-Material, welches auch als „transfer mold“ bzw. „resin transfer mold“ bekannt ist, kann ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Halbleiterchip und dem Matrixmaterial erreicht werden, indem dieses Material an den Halbleiterchip angespritzt wird.
Als Matrixmaterial können beispielsweise Halbleiter-Isolations-Gels, Polyamid (PA), Formaldehydharze (wie z. B. Phenoplaste (PF) oder Melaminharze (MF)) oder Reaktionsharze (wie z. B. Polyester (UP) oder das genannte Epoxidharz (EP)) zum Einsatz kommen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Füllmaterial elektrisch isolierend.
Das Füllmaterial weist somit vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf die thermische als auch auf die elektrische Leitfähigkeit auf, da es dazu beiträgt, dass der Verbundwerkstoff die während des Betriebs entstehende Wärme des Halbleiterchips gut abführen kann und gleichzeitig unerwünschte Kurzschlüsse, Kriechströme oder Durchschläge verhindert.
Somit wird ein Füllmaterial mit hoher Wärmeleitung, beispielsweise als Pulver, in das Matrixmaterial hinzu gegeben, wobei der damit entstehende Verbundwerkstoff elektrisch isolierend bleibt, jedoch eine signifikante Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Füllmaterial Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Diamant, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Alox auf.
Vorzugsweise kommt dabei Bornitrid als Füllmaterial zum Einsatz, da es insbesondere in seiner kubischen oder hexagonalen Ausprägung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bornitrid findet beispielsweise in der Metallbearbeitung als Schleifmittel häufige Anwendung, wo durch die hohe Wärmeleitfähigkeit die Wärme z. B. beim Schleifen von der Schleifscheibe aufgenommen wird und an das Kühlmittel oder an die Umgebung abgegeben werden kann, so dass weniger Verzug im Vergleich zum Schleifen mit Korund, einem Mineral aus der Mineralklasse der Oxide und Hydroxide mit der chemischen Zusammensetzung Al₂O₃, entsteht.
Von Vorteil ist bei Bornitrid weiterhin, dass es kommerziell in hoher Reinheit verfügbar und z.B. mit ausgeprägter Kristallstruktur, insbesondere mit Kristalliten von 40 μm Größe, erhältlich ist. Durch die hohe Reinheit und geringe Dichte und die dem Bornitrid eigene, hohe Wärmeleitfähigkeit ist es sehr gut geeignet als Füllstoff für Kunststoffe, um deren geringe Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig wird die gute elektrische Isolierung beibehalten. Durch eine geringe spezifische Oberfläche sind hohe Füllgrade bei vergleichsweise geringem Viskositätsanstieg möglich. Letzteres ist besonders vorteilhaft für eine weiterhin fertigungsgerechte Modifikation des Matrixmaterials bzw. Gels und für eine unverändert gute Fließfähigkeit. Dies ermöglicht insbesondere eine gute Kontaktierung des Matrixmaterials bzw. des Verbundwerkstoffs unter die Bonddrähte bis zum Halbleiterchip, so dass ein besonders guter thermischer Kontakt des Verbundwerkstoffs bzw. des Matrixmaterials mit dem Halbleiterchip gewährleistet wird.
Außerdem ist eine chemische Reaktion des Füllmaterials mit dem Matrixmaterial bzw. Gel im flüssigen Zustand auszuschließen. Auch hier ist Bornitrid ein bestgeeignetes Füllmaterial, da Bornitrid chemisch inert ist und von Säuren oder Basen im flüssigen Matrixmaterial bzw. Gel nicht zersetzt werden kann.
Verbundwerkstoffe mit hexagonalem Bornitrid erreichen beispielsweise Wärmeleitfähigkeiten bis 15 W/mK bei Durchschlagfestigkeiten über 30 kV.
Neben Bornitrid, welches eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/mK aufweist, sind auch Aluminiumnitrid, welches als Halbleitersubstrat eine Wärmeleitfähigkeit von 180–220 W/mK aufweist, sowie Aluminiumoxid (etwa 35, 6–39 W/mK), Diamant (etwa 2300 W/mK), Kohlenstoff-Nanoröhrchen (etwa 6000 W/mK) und/oder Alox (etwa 25 W/mK) denkbar.
Alternativ oder zusätzlich können als Füllmaterial beispielsweise die in der Keramikindustrie bekannten Füllstoffe eingesetzt werden, welche eine gute elektrische Isolationsfestigkeit aufweisen. Prinzipiell ist beispielsweise der Einsatz von Nichtoxid-Keramiken mit geeigneten Eigenschaften denkbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Halbleitermodul ein Pufferelement auf, wobei der Verbundwerkstoff zwischen dem jeweiligen Halbleiterchip und dem Pufferelement angeordnet ist und wobei das Pufferelement in thermischem Kontakt mit dem Verbundwerkstoff ist.
Der Verbundwerkstoff ist weiterhin in thermischem Kontakt mit dem Pufferelement, wozu der Verbundwerkstoff das Pufferelement beispielsweise berührt bzw. auf diesem aufliegt.
Das Pufferelement dient dabei insbesondere als eine Art Wärmespeicher, beispielsweise um eine gewisse Wärmemenge während der Einschaltzeit des Halbleitermoduls zu puffern. Ähnlich einem Glättungskondensator, der Spannungsspitzen dämpft, kann das Pufferelement somit kurzzeitig eine vergleichsweise große Wärmemenge vom Verbundwerkstoff aufnehmen und über eine längere Zeit wieder abgeben, beispielsweise wenn die Halbleiter nicht mehr schalten und beispielsweise an zumindest einen Kühlkörper.
Dank des Pufferelementes können Spitzen von entstehender Verlustwärme aufgenommen werden, so dass die maximale Temperaturbelastung des Halbleiterchips bzw. Halbleitermoduls vermindert werden kann. Neben einer verbesserten Entwärmung wird dadurch auch eine längere Lebensdauer des Halbleiterchips ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist das Pufferelement derart dimensioniert, dass es eine ausreichende Wärmemenge aufnehmen kann, welche vor allem von Schaltverlusten, ohmschen Verlusten und dergleichen des Halbleiterchips oder weiterer Bauteile des Halbleitermoduls abhängt. Entsprechend weist das Pufferelement daher eine ausreichende Wärmekapazität auf. Neben der aufzunehmenden Wärmemenge ist hierbei auch eine ausreichende Aufnahmefläche des Pufferelementes zu berücksichtigen, so dass die Wärmemenge schnell genug aufgenommen werden kann.
Das Pufferelement kann beispielsweise unterhalb einer Steuerplatine innerhalb des Halbleitermoduls bzw. des Stromrichters angeordnet sein, wobei entlang einer Richtung des Halbleitermoduls beispielsweise folgender Aufbau vorgesehen sein kann: an die Steuerplatine schließt sich das Pufferelement, dann der Verbundwerkstoff und der Halbleiterchip sowie ggf. die Leiterplatte an. Seitlich neben dieser Anordnung und/oder unterhalb der Leiterplatte kann ein Kühlkörper vorgesehen sein.
Prinzipiell können auch mehrere Pufferelemente vorgesehen sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Pufferelement dabei einen Metallkörper, beispielsweise einen Kupfer-Körper oder einen Aluminium-Körper, auf.
Die Verwendung eines Metallkörpers stellt sicher, dass Wärme aus dem Verbundwerkstoff schnell in das Pufferelement aufgenommen werden kann, so dass Spitzen bezüglich der Wärmebelastung besonders gut gemindert werden können. Kupfer oder Aluminium sind hierfür gut geeignet, da sie gute Wärmeleiter und kostengünstig erhältlich sind.
Für den Metallkörper ist auch der Einsatz von Metalllegierungen denkbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Pufferelement dabei einen Körper mit einem Phasen-Wechsel-Material auf.
Die verbesserte Wärmeleitung des Verbundwerkstoffs kann mit einer Wärmepufferung über ein Phasen-Wechsel-Material, insbesondere ein sogenanntes „Phase Change Pulver“, kombiniert werden, um die Entwärmung des Halbleitermoduls weiter zu verbessern. Dabei kann die Wärme beispielsweise in der Anschaltphase über den Verbundwerkstoff vom Halbleiterchip weggeleitet und in dem Pufferelement durch eine effiziente Latentwärmespeicherung als Enthalpie gespeichert werden. Dabei kann der Körper mit dem Phasen-Wechsel-Material alternativ oder zusätzlich zu dem Metallkörper vorgesehen sein.
Als Phasen-Wechsel-Materialien können Materialien wie z.B. Rubitherm^® PX80 oder PX82 verwendet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verbundwerkstoff ein weiteres Füllmaterial in Form eines Phasen-Wechsel-Materials auf.
Die verbesserte Wärmeleitung des Verbundwerkstoffs kann mit einer Wärmepufferung kombiniert werden, welche bereits im Verbundwerkstoff zum Tragen kommt. Hierzu wird als weiteres Füllmaterial ein Phasen-Wechsel-Material, insbesondere ein sogenanntes „Phase Change Pulver“, in das Matrixmaterial bzw. den Verbundwerkstoff eingebracht.
Dies erlaubt, die Wärme beispielsweise in der Anschaltphase durch gute Wärmeleitung sowie eine effiziente Latentwärmespeicherung schon im Verbundwerkstoff vom Halbleiterchip wegzuleiten und als Enthalpie zu speichern.
Als Phasen-Wechsel-Material können Materialien wie z.B. Rubitherm^® PX80 oder PX82 verwendet werden, welche ebenfalls chemisch weit gehend inert sind und dem Matrixmaterial bzw. Gel zu gemischt werden. Experimente mit einer Zumischung in Halbleiter-Isolations-Gels sind im Labor erfolgt und zeigen eine gute Vernetzung sowie eine hohe Wärmeleitung, beispielsweise mit Bornitrid bzw. hexagonalem Bornitrid, und den erwünschten Effekt der Latentwärmespeicherung, insbesondere mit Rubitherm^® PX80 oder PX82.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Halbleitermodul eine Leiterplatte auf, auf welchem der jeweilige Halbleiterchip angeordnet ist, wobei der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit der Leiterplatte ist.
Der thermische Kontakt insbesondere dadurch erreicht, dass der Verbundwerkstoff die Leiterplatte berührt bzw. auf dieser aufliegt. Der Verbundwerkstoff erreicht somit zum einen eine direkte Entwärmung und zum anderen auch eine indirekte Entwärmung des jeweiligen Halbleiterchips über die Leiterplatte, da eine kühlere Leiterplatte auch ein weiteres Herabkühlen des jeweiligen Halbleiterchips ermöglicht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Halbleitermodul zumindest einen Kühlkörper auf, wobei der Verbundwerkstoff in direktem oder indirektem thermischem Kontakt mit dem Kühlkörper ist.
Um die Entwärmung des Halbleiterchips weiter zu verbessern, ist der Verbundwerkstoff insbesondere in direktem thermischem Kontakt mit dem jeweiligen Kühlkörper, wozu der Verbundwerkstoff den jeweiligen Kühlkörper beispielsweise berührt bzw. auf diesem aufliegt. Denkbar ist auch ein indirekter thermischer Kontakt des Verbundwerkstoffs mit dem jeweiligen Kühlkörper, so dass beispielsweise noch eine Gehäusewand oder andere Elemente zwischen dem Verbundwerkstoff und dem jeweiligen Kühlkörper angeordnet sind.
Beispielsweise kann der jeweilige Halbleiterchip zwischen dem Kühlkörper einerseits und einer weiteren Leiterplatte andererseits angeordnet sein, wobei die weitere Leiterplatte beispielsweise eine Steuerplatine des vorgeschlagenen Stromrichters ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Halbleitermodul ein Gehäuse auf, welches den jeweiligen Halbleiterchip zumindest teilweise umgibt, wobei der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse ist.
Der Verbundwerkstoff ist somit weiterhin in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse, wozu der Verbundwerkstoff das Gehäuse beispielsweise flächig berührt bzw. auf diesem aufliegt. Insbesondere kann der Verbundwerkstoff das übrige Gehäuse komplett oder zumindest größtenteils ausfüllen. Durch die thermische Anbindung des Verbundwerkstoffs an das Gehäuse wird die Entwärmung des jeweiligen Halbleiterchips weiter verbessert, da Wärme mittels des gut wärmeleitenden Verbundwerkstoffs vom jeweiligen Halbleiterchip nach außen an das Gehäuse abgegeben und somit abtransportiert werden kann.
Insbesondere kann das Gehäuse den zumindest einen Kühlkörper aufweisen, wozu das Gehäuse und der jeweilige Kühlkörper vorteilhafterweise in thermischem Kontakt miteinander sind.
Vorzugsweise ist das Halbleitermodul für einen Betrieb mit einer elektrischen Leistung von zumindest 10 kW ausgelegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1–5 ein erstes bis fünftes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls und
6 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Fahrzeugs.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls 1, wobei ein Querschnitt des Halbleitermoduls 1 dargestellt ist.
Das Halbleitermodul 1 weist einen Halbleiterchip 2 sowie ein elektrisch isolierendes Material auf, welches den Halbleiterchip 1 teilweise umgibt und mit welchem der Halbleiterchip 1 in thermischem Kontakt ist. Das elektrisch isolierende Material fungiert dabei als Matrixmaterial 3 eines Verbundwerkstoffs, wobei der Verbundwerkstoff ein Füllmaterial 4 mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/mK, vorzugsweise zumindest 100 W/mK, aufweist.
Vorzugsweise wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs durch das Vorhanden-Sein des Füllmaterials 4 um zumindest 2 W/mK, vorzugsweise zumindest 10 W/mK, erhöht. Beispielsweise weist das Matrixmaterial 3 eine Gelmischung, ein Epoxidharz und/oder ein Spritzpress-Material auf. Insbesondere ist das Füllmaterial 4 elektrisch isolierend, wobei das Füllmaterial 4 beispielsweise Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Diamant, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Alox aufweist.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls 1. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen dabei gleiche Gegenstände. Da das zweite Ausführungsbeispiel Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist, werden im Folgenden einige Unterschiede erläutert.
Zusätzlich weist das Halbleitermodul 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Pufferelement 5 bzw. 6 auf, wobei der Verbundwerkstoff zwischen dem jeweiligen Halbleiterchip 2 und dem Pufferelement 5 bzw. 6 angeordnet ist und das Pufferelement 5 bzw. 6 in thermischem Kontakt mit dem Verbundwerkstoff ist.
Beispielsweise kann das Pufferelement 5 einen Metallkörper 5 in Form eines Kupfer-Körpers oder eines Aluminium-Körpers aufweisen, wobei auch Metalllegierungen zum Einsatz kommen können. Alternativ oder zusätzlich kann das Pufferelement 6 einen Körper 6 mit einem Phasen-Wechsel-Material aufweisen.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls 1. Da das dritte Ausführungsbeispiel Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist, werden im Folgenden einige Unterschiede erläutert.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel des Halbleitermoduls 1 ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff ein weiteres Füllmaterial 7 in Form eines Phasen-Wechsel-Materials aufweist.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls 1. Da das vierte Ausführungsbeispiel Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist, werden im Folgenden einige Unterschiede erläutert.
Das Halbleitermodul 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel weist eine Leiterplatte 8 auf, auf welchem der Halbleiterchip 2 angeordnet ist, wobei der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit der Leiterplatte 8 ist. Weiterhin weist das Halbleitermodul 1 ein Gehäuse 10 auf, welches den Halbleiterchip 2 teilweise umgibt, wie in 4 angedeutet. Dabei ist der Verbundwerkstoff auch in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse 10.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Halbleitermoduls 1. Da das fünfte Ausführungsbeispiel Ähnlichkeit mit dem vierten Ausführungsbeispiel aufweist, werden im Folgenden einige Unterschiede erläutert.
Das Gehäuse 10 des Halbleitermoduls 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist etwas abgeändert im Vergleich zum vierten Ausführungsbeispiel und umgibt einen kleineren Bereich des Halbleiterchips 2.
Zusätzlich ist ein Pufferelement 5 bzw. 6, ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel, vorgesehen, wobei das Pufferelement 5 bzw. 6 wiederum in thermischem Kontakt mit dem Verbundwerkstoff ist.
Weiterhin ist ein Kühlkörper 9 vorgesehen, mit welchem der Verbundwerkstoff in direktem thermischem Kontakt ist. Weiterhin ist der Kühlkörper 9 in thermischem Kontakt mit der Leiterplatte 8 sowie dem Pufferelement 5 bzw. 6.
Denkbar ist auch, diese Anordnung derart in einen Stromrichter einzubinden, dass oberhalb des Pufferelementes 5 bzw. 6 eine weitere Leiterplatte, beispielsweise in Form einer Steuerplatine des Stromrichters, vorgesehen ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Fahrzeugs 21. Das Fahrzeug 21 ist insbesondere als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgestaltet und weist einen Antriebsstrang umfassend einen Elektromotor 22 und einen damit verbundenen Stromrichter 21 auf, wobei der Stromrichter 21 über das vorgeschlagene Halbleitermodul 1 verfügt.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Halbleitermodul, insbesondere für einen Stromrichter eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Stromrichter, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, aufweisend zumindest ein derartiges Halbleitermodul. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend zumindest einen Elektromotor und zumindest einen derartigen Stromrichter. Um die Entwärmung bei einem Halbleitermodul bzw. bei einem Stromrichter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Halbleitermodul einen Halbleiterchip und ein elektrisch isolierendes Material aufweist, welches den jeweiligen Halbleiterchip zumindest teilweise umgibt und mit welchem der jeweilige Halbleiterchip in thermischem Kontakt ist, wobei das elektrisch isolierende Material als Matrixmaterial eines Verbundwerkstoffs fungiert und wobei der Verbundwerkstoff ein Füllmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/mK, vorzugsweise zumindest 100 W/mK, aufweist. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Stromrichter bzw. das Fahrzeug zumindest ein derartiges, vorgeschlagenes Halbleitermodul bzw. zumindest einen Elektromotor und zumindest einen derartigen, vorgeschlagenen Stromrichter aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2816083 A1 [0006]

Claims

Halbleitermodul (1), insbesondere für einen Stromrichter (20) eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs (21), wobei das Halbleitermodul (1) aufweist: – zumindest einen Halbleiterchip (2) und – ein elektrisch isolierendes Material, welches den jeweiligen Halbleiterchip (1) zumindest teilweise umgibt und mit welchem der jeweilige Halbleiterchip (1) in thermischem Kontakt ist, wobei das elektrisch isolierende Material als Matrixmaterial (3) eines Verbundwerkstoffs fungiert und wobei der Verbundwerkstoff ein Füllmaterial (4) mit einer Wärmeleitfähigkeit von zumindest einigen 10 W/mK, vorzugsweise zumindest 100 W/mK, aufweist.
Halbleitermodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs durch das Vorhanden-Sein des Füllmaterials (4) um zumindest 2 W/mK, vorzugsweise zumindest 10 W/mK, erhöht wird.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (3) eine Gelmischung, ein Epoxidharz und/oder ein Spritzpress-Material aufweist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial (4) elektrisch isolierend ist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial (4) Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Diamant, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Alox aufweist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) ein Pufferelement (5, 6) aufweist, wobei der Verbundwerkstoff zwischen dem jeweiligen Halbleiterchip (2) und dem Pufferelement (5, 6) angeordnet ist und wobei das Pufferelement (5, 6) in thermischem Kontakt mit dem Verbundwerkstoff ist.
Halbleitermodul (1) nach Anspruch 6, wobei das Pufferelement (5) einen Metallkörper (5), beispielsweise einen Kupfer-Körper oder einen Aluminium-Körper, aufweist.
Halbleitermodul (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Pufferelement (6) einen Körper (6) mit einem Phasen-Wechsel-Material aufweist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundwerkstoff ein weiteres Füllmaterial (7) in Form eines Phasen-Wechsel-Materials aufweist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) eine Leiterplatte (8) aufweist, auf welchem der jeweilige Halbleiterchip (2) angeordnet ist, wobei der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit der Leiterplatte (8) ist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) zumindest einen Kühlkörper (9) aufweist, wobei der Verbundwerkstoff in direktem oder indirektem thermischem Kontakt mit dem jeweiligen Kühlkörper (9) ist.
Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermodul (1) ein Gehäuse (10) aufweist, welches den jeweiligen Halbleiterchip (2) zumindest teilweise umgibt, wobei der Verbundwerkstoff in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse (10) ist.
Stromrichter (20), insbesondere für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs (21), aufweisend zumindest ein Halbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug (21), insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeug, aufweisend einen Antriebsstrang umfassend zumindest einen Elektromotor (22) und einen zumindest Stromrichter (22) nach Anspruch 13.