DE102016110912B4 - Power semiconductor module with a switching device - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (1) mit einer Schalteinrichtung (10), die ein Substrat (2), ein auf dem Substrat (2) angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement (26) und eine Verbindungseinrichtung (3) aufweist, und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5), wobei das Substrat (2) gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (22) aufweist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (26) auf einer Leiterbahn (22) des Substrats (2) angeordnet und stoffschlüssig elektrisch leitend mit dem Substrat (2) verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) eine dem Substrat (2) zugewandte erste Hauptfläche (300) und eine dem Substrat (2) abgewandte zweite Hauptfläche (320) und eine elektrisch leitende Folie (30, 32) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (10) mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung (5) einen Druckkörper (50) und ein vom Druckkörper (50) in Richtung auf das Leistungshalbleiterbauelement (26) vorstehendes Druckelement (52) aufweist, wobei das Druckelement (52) auf einen Abschnitt (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung (3) drückt und hierbei dieser Abschnitt (322) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) fluchtend mit einer dem Substrat (2) abgewandten Fläche (26a) des Leistungshalbleiterbauelements (26) oberhalb dieser angeordnet ist, wobei das Druckelement (52) aus einer elastischen Hülle (52‘) besteht in deren Inneren ein Phasenwechselmaterial (52‘‘) angeordnet ist.Power semiconductor module (1) having a switching device (10) which has a substrate (2), a power semiconductor component (26) arranged on the substrate (2) and a connection device (3), and with a normal direction (N) of the substrate (2 ), the substrate (2) having mutually electrically insulated conductor tracks (22), wherein the power semiconductor component (26) arranged on a conductor track (22) of the substrate (2) and cohesively electrically conductive with the substrate (2 ), wherein the connecting device (3) has a first main surface (300) facing the substrate (2) and a second main surface (320) facing away from the substrate (2) and an electrically conductive film (30, 32), wherein the switching device (10) by means of the connecting device (3) is internally connected circuit-connected, wherein the pressure device (5) has a pressure body (50) and one of the pressure body (50) in the direction of the leis The pressure element (52) presses on a section (322) of the second main surface (320) of the connecting device (3) and in this case this section (322) in the normal direction (N) of the substrate (32). 2) in alignment with a substrate (2) facing away from surface (26 a) of the power semiconductor component (26) is arranged above this, wherein the pressure element (52) consists of an elastic sheath (52 ') in the interior of a phase change material (52' ') is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung. Weiterhin wird eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem derartigen Leistungshalbleitermodul beschrieben. The invention relates to a power semiconductor module with a switching device. Furthermore, a power semiconductor device is described with such a power semiconductor module.

Aus der DE 10 2014 106 570 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, das ausgebildet ist als eine Schalteinrichtung mit einem Substrat, einem Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und mit einer Druckeinrichtung. Hierbei weist das Substrat elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung ist als Folienstapel mit einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet und weist eine erste und eine zweite Hauptfläche auf. Die Schalteinrichtung wird mittels der Verbindungseinrichtung 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 Folienstapels drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Leistungshalbleiterbauelements innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Das Druckelement besteht vollständig aus einem Silikonkautschuk. Nachteilig dabei ist, dass ein Silikonkautschuk nur eine geringe Wärmeaufnahmekapazität aufweist. Das Leistungshalbleiterbauelement wird deshalb im Wesentlichen über seine Unterseite, über das Substrat, von einer Kühleinrichtung gekühlt. From the DE 10 2014 106 570 A1 is a power semiconductor module is known, which is formed as a switching device with a substrate, a power semiconductor device, a connection device, Lastanschlusseinrichtungen and with a printing device. In this case, the substrate has electrically insulated conductor tracks, wherein a power semiconductor component is arranged on a conductor track. The connecting device is designed as a film stack with an electrically conductive and an electrically insulating film and has a first and a second main surface. The switching device is connected internally by means of the connecting device circuit. The printing device has a pressure body with a first recess, from which a pressure element is projecting, wherein the pressure element presses on a portion of the second main surface of the film stack and this portion is arranged in projection along the normal direction of the power semiconductor device within the surface of the power semiconductor device. The pressure element is made entirely of a silicone rubber. The disadvantage here is that a silicone rubber has only a low heat absorption capacity. The power semiconductor component is therefore cooled substantially via its underside, via the substrate, by a cooling device.

Aus der DE 10 2014 213 545 A1 ist es bekannt, zur Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen eines Leistungshalbleitermoduls, ein Phasenwechselmaterial zu verwenden. From the DE 10 2014 213 545 A1 It is known to use a phase change material for cooling power semiconductor components of a power semiconductor module.

Aus der DE 10 2014 106 570 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse, einer Schalteinrichtung, einem mit dem Gehäuse verbundenen Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer gegen das Gehäuse in Normalenrichtung des Substrats beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung bekannt, wobei das Substrat eine erste mittige Durchgangsöffnung sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und stoffschlüssig damit verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist und mit einer elektrisch leitende Folie ausgebildet ist und wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung einen Druckkörper mit einer zweiten zur ersten fluchtenden Durchgangsöffnung und mit einer ersten Ausnehmung aufweist aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt. From the DE 10 2014 106 570 A1 is a power semiconductor module comprising a housing, a switching device, a substrate connected to the housing, a power semiconductor device arranged thereon, a connecting device, Lastanschlusseinrichtungen and a movable against the housing in the normal direction of the substrate pressure device known, the substrate having a first central through hole and against each other electrically insulated conductor tracks, wherein on a conductor track, a power semiconductor component is arranged and materially connected thereto, wherein the connection means has a first and a second main surface and is formed with an electrically conductive foil and wherein the switching means is internally connected circuit by means of the connecting means, wherein the pressure device a pressure body with a second aligned first through opening and with a first recess having a Druckelemen t is protruding, wherein the pressing member presses on a portion of the second major surface of the connecting device.

Aus der US 2002/0070445 A1 ist eine, zur thermischen Ankopplung eines Chips an einen Kühlköper dienende, thermisch leitfähige Verbindungseinrichtung bekannt, die eine metallische Hülle in der ein thermisch leitfähiges Material angeordnet ist, aufweist. From the US 2002/0070445 A1 is a, for the thermal coupling of a chip to a heat sink serving, thermally conductive connecting device is known, which is a metallic shell in which a thermally conductive material is arranged comprises.

Es ist technisch wünschenswert, das Leistungshalbleiterbauelement eines Leistungshalbleitermoduls, insbesondere bei hohen transienten Leistungsbeanspruchungen, zusätzlich über seine Oberseite zu kühlen. It is technically desirable to additionally cool the power semiconductor component of a power semiconductor module, especially at high transient power loads, via its top side.

In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul zu schaffen, dessen Leistungshalbleiterbauelement gut gekühlt wird. In view of the circumstances mentioned, the object of the invention is to provide a power semiconductor module whose power semiconductor component is well cooled.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit einer Schalteinrichtung, die ein Substrat, ein auf dem Substrat angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement und eine Verbindungseinrichtung aufweist, und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement auf einer Leiterbahn des Substrats angeordnet und stoffschlüssig elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung eine dem Substrat zugewandte erste Hauptfläche und eine dem Substrat abgewandte zweite Hauptfläche und eine elektrisch leitende Folie aufweist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung einen Druckkörper und ein vom Druckkörper in Richtung auf das Leistungshalbleiterbauelement vorstehendes Druckelement aufweist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Normalenrichtung des Substrats fluchtend mit einer dem Substrat abgewandten Fläche des Leistungshalbleiterbauelements oberhalb dieser angeordnet ist, wobei das Druckelement aus einer elastischen Hülle besteht in deren Inneren ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist. This object is achieved according to the invention by a power semiconductor module having a switching device which has a substrate, a power semiconductor component arranged on the substrate and a connection device, and having a pressure device designed to be movable in the normal direction of the substrate, wherein the substrate has electrically insulated interconnects, wherein the power semiconductor component arranged on a conductor track of the substrate and materially connected electrically conductively connected to the substrate, wherein the connecting means comprises a substrate facing the first main surface and the substrate facing away from the second main surface and an electrically conductive foil, wherein the switching device is connected internally by means of the connecting device circuit-connected, wherein the printing device has a pressure body and a pressure element protruding from the pressure body in the direction of the power semiconductor component, wobe i presses the pressure element on a portion of the second main surface of the connecting device and in this case this section is arranged in the normal direction of the substrate in alignment with a surface facing away from the substrate of the power semiconductor component above this, wherein the pressure element consists of an elastic shell in the interior of a phase change material is arranged.

Vorteilhafte Ausbildungen des Leistungshalbleitermodul ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments of the power semiconductor module emerge from the dependent claims.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials, bei der das Phasenwechselmaterial von seinem festen Zustand in seinen flüssigen Zustand wechselt, 0,1% bis 25%, insbesondere 0,1% bis 10%, insbesondere 0,1% bis 5%, unterhalb der im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements zulässigen maximalen Junctiontemperatur des Leistungshalbleiterbauelements liegt. Die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials und die zulässige maximale Junctiontemperatur wird dabei in °C angegeben. Hierdurch wird das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement, speziell dann wenn sich im Betrieb, z.B. im Falle von kurzzeitigen Leistungsspitzen, die Junctiontemperatur Tj des Leistungshalbleiterbauelements der zulässigen maximalen Junctiontemperatur Tjmax des Leistungshalbleiterbauelements nähert, mittels des zugehörigen Druckelements, zusätzlich gekühlt. Die im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements zulässige maximale Junctiontemperatur eines Leistungshalbleiterbauelements liegt im Allgemeinen in einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C. It proves to be advantageous if the phase change temperature of the Phase change material in which the phase change material changes from its solid state to its liquid state, 0.1% to 25%, in particular 0.1% to 10%, in particular 0.1% to 5%, below the maximum permissible during operation of the power semiconductor device Junction temperature of the power semiconductor device is located. The phase change temperature of the phase change material and the permissible maximum junction temperature are specified in ° C. As a result, the respective power semiconductor component , in particular when in operation, for example in the case of short-term power peaks, the junction temperature T j of the power semiconductor component of the permissible maximum junction temperature T jmax of the power semiconductor device approaches, additionally cooled by the associated pressure element. The permissible in the operation of the power semiconductor device maximum junction temperature of a power semiconductor device is generally in a temperature range of 150 ° C to 200 ° C.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Hülle aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Silikonkautschuk, besteht, da dann die Hülle besonderes gute elastische Eigenschaften aufweist. Furthermore, it proves to be advantageous if the shell consists of an elastomer, in particular of a silicone rubber, since then the shell has particularly good elastic properties.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn dass der Volumenanteil des Phasenwechselmaterials 10% bis 70%, insbesondere 10% bis 50%, vom Gesamtvolumen des Druckelements beträgt, da dann das Druckelement einerseits eine hohe Menge an Wärmenergie aufnehmen kann und andererseits zumindest durch die elastische Hülle eine Elastizität aufweist. Furthermore, it proves to be advantageous if the volume fraction of the phase change material is 10% to 70%, in particular 10% to 50%, of the total volume of the pressure element, since then the pressure element on the one hand can absorb a high amount of heat energy and on the other hand, at least by the elastic Shell has an elasticity.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn dass das Phasenwechselmaterial aus mindestens einem Salzhydrat oder aus mindestens einem organischen Material besteht, da dies technikübliche Phasenwechselmaterialen sind. Furthermore, it proves to be advantageous if the phase change material consists of at least one salt hydrate or of at least one organic material, since these are customary phase change materials.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Phasenwechselmaterial eine spezifische Schmelzenthalpie von 80kJ/kg bis 300kJ/kg aufweist, da dann das Druckelement eine hohe Menge an Wärmenergie aufnehmen kann. Furthermore, it proves to be advantageous if the phase change material has a specific enthalpy of fusion of 80 kJ / kg to 300 kJ / kg, since then the pressure element can absorb a large amount of heat energy.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Rückwechseltemperatur, bei der das Phasenwechselmaterial von seinem flüssigen Zustand in seinen festen Zustand wechselt, mindestens 5°C, insbesondere mindestens 10°C, unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials liegt, da dann bei Temperaturschwankungen des Phasenwechselmaterials um die Phasenwechseltemperatur herum, das Phasenwechselmaterial nicht häufig seinen Zustand von fest in flüssig und umgekehrt wechselt. Further, it proves to be advantageous if the return temperature at which the phase change material changes from its liquid state to its solid state, at least 5 ° C, in particular at least 10 ° C, below the phase change temperature of the phase change material, since then at temperature fluctuations of the phase change material the phase change temperature around, the phase change material does not often change state from solid to liquid and vice versa.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Druckkörper eine erste Ausnehmung aufweist, aus der das Druckelement hervorstehend angeordnet ist, da dann das Druckelement in laterale Richtung unbeweglich angeordnet ist. Die laterale Richtung verläuft senkrecht zur Normalenrichtung des Substrats. Furthermore, it proves to be advantageous if the pressure body has a first recess, from which the pressure element is arranged protruding, since then the pressure element is arranged immovably in the lateral direction. The lateral direction is perpendicular to the normal direction of the substrate.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Ausnehmung des Druckkörpers als Vertiefung, ausgehend von einer dem Substrat zugewandten ersten Hauptfläche des Druckkörpers, ausgebildet ist, da dann die Ausnehmung besonderes einfach ausgebildet ist. In this context, it proves to be advantageous if the first recess of the pressure body is formed as a recess, starting from a substrate facing the first main surface of the pressure body, since then the recess is particularly simple.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Druckkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, besteht, da dann der Druckkörper auch bei hohen Temperaturen mechanisch belastbar ist. Furthermore, it proves to be advantageous if the pressure body made of a high temperature resistant thermoplastic material, in particular polyphenylene sulfide, since then the pressure body is mechanically strong even at high temperatures.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungseinrichtung als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mit mindestens einer elektrisch isolierenden Folie ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung des Folienstapels stellt eine übliche Ausbildung des Folienstapels dar. Furthermore, it proves to be advantageous if the connecting device is designed as a film stack with at least one electrically conductive and with at least one electrically insulating film. Such a design of the film stack represents a common formation of the film stack.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Flächeninhalt des Abschnitts der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung mindestens 20%, insbesondere mindestens 50%, der dem Substrat abgewandten Fläche des Leistungshalbleiterbauelements beträgt, da dann der Druck, welcher auf den Abschnitts der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung einwirkt, über eine relativ große Fläche einwirkt. Furthermore, it proves to be advantageous if the surface area of the portion of the second main surface of the connecting device is at least 20%, in particular at least 50%, of the surface of the power semiconductor component facing away from the substrate, since then the pressure acting on the portion of the second main surface of the connecting device , acts on a relatively large area.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verhältnis von lateraler Ausdehnung des Druckkörpers zu Ausdehnung des Druckkörpers in Normalenrichtung des Substrats mindestens 3 zu 1, insbesondere mindestens 5 zu 1, beträgt, da der Druckkörper dann platzsparend ausgebildet ist. Furthermore, it proves to be advantageous if the ratio of lateral expansion of the pressure body to expansion of the pressure body in the normal direction of the substrate is at least 3 to 1, in particular at least 5 to 1, since the pressure body is then designed to save space.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die mechanische Kontaktfläche der Hülle, die mit der Verbindungseinrichtung einen mechanischen Kontakt aufweist, nicht über die dem Substrat abgewandte Fläche des Leistungshalbleiterbauelements hinausragt. Hierdurch wird eine Druckbeanspruchung der im Allgemeinen druckempfindlichen Randkante des Leistungshalbleiterbauelements vermieden. Furthermore, it proves to be advantageous if the mechanical contact surface of the shell, which has a mechanical contact with the connecting device, does not protrude beyond the surface of the power semiconductor component facing away from the substrate. As a result, a compressive stress of the generally pressure-sensitive edge of the power semiconductor component is avoided.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul ein Befestigungsmittel aufweist, das dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig zu befestigen. Hierdurch kann das Leistungshalbleitermodul zuverlässig mit einer Kühleinrichtung befestigt werden. Furthermore, it proves to be advantageous if the power semiconductor module has a fastening means which is designed to secure the power semiconductor module to a cooling device in a force-locking manner. This can do that Power semiconductor module reliably be attached with a cooling device.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Substrat eine mittige erste Durchgangsöffnung aufweist, wobei der Druckkörper eine zur ersten Durchgangsöffnung fluchtend angeordnete zweite Durchgangsöffnung aufweist, wobei die erste und zweite Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet sind das Befestigungsmittel aufzunehmen. Die vom Befestigungsmittel erzeugte Kraft wird hierdurch zentral auf den Druckkörper eingeleitet. Furthermore, it proves to be advantageous if the substrate has a central first passage opening, wherein the pressure body has a second passage opening arranged in alignment with the first passage opening, wherein the first and second passage openings are designed to receive the attachment means. The force generated by the fastening means is thereby introduced centrally onto the pressure body.

Weiterhin erweist sich eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul, mit einer Kühleinrichtung und mit einem Befestigungsmittel, das dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig zu befestigen, wobei das Befestigungsmittel auf die Druckeinrichtung Kraft in Richtung auf die Kühleinrichtung einleitet und hierdurch das Substrat kraftschlüssig mit der Kühleinrichtung verbindet. Furthermore, a power semiconductor device with a power semiconductor module according to the invention, with a cooling device and with a fastening means, which is designed to fasten the power semiconductor module frictionally on a cooling device, wherein the fastening means to the printing device force in the direction of the cooling device initiates and thereby the substrate non-positively connects with the cooling device.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung als eine metallische Grundplatte ausbildet ist, die zur Montage an einen Kühlkörper vorgesehen ist, oder als ein Kühlkörper ausgebildet ist, da dies übliche Ausbildungen der Kühleinrichtung darstellen. Furthermore, it proves to be advantageous if the cooling device is formed as a metallic base plate, which is provided for mounting on a heat sink, or is designed as a heat sink, as this represents common formations of the cooling device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen: Embodiments of the invention will be explained below with reference to the figures below. Showing:

1 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul, mit einer Kühleinrichtung und mit einem Befestigungsmittel und 1 a sectional view of a power semiconductor device with a power semiconductor module according to the invention, with a cooling device and with a fastening means and

2 eine Draufsicht auf Ausschnitte einer Schalteinrichtung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls in verschiedenen Schnittebenen. 2 a plan view of sections of a switching device of a power semiconductor module according to the invention in different sectional planes.

1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1 mit einer Schalteinrichtung 10. Dargestellt ist ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 (z.B. Direct Copper Bonded Substrat) mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die im Betrieb unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Steuer- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung 10 aufweisen können. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind. Das Substrat 2 weist eine mittig angeordnete erste Durchgangsöffnung 24 auf. 1 shows a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention 1 with a switching device 10 , Shown is a fundamentally customarily trained substrate 2 (eg direct copper bonded substrate) with an insulating body 20 and arranged thereon each electrically insulated from each other interconnects 22 , the different operating potentials in operation, in particular load potentials, but also auxiliary, in particular control and measuring potentials, the switching device 10 can have. Concretely represented here are three tracks 22 with load potentials typical of a half-bridge topology. The substrate 2 has a centrally disposed first passage opening 24 on.

Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 26 angeordnet, das z.B. als MOSFET, als IGBT oder als Diode ausgebildet sein kann. Die Leistungshalbleiterbauelemente 26 sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit den Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden. On two tracks 22 is each a power semiconductor device 26 arranged, which may be formed, for example, as a MOSFET, as an IGBT or as a diode. The power semiconductor components 26 are customary in the art, preferably by means of a sintered connection, with the conductor tracks 22 electrically connected.

Die internen elektrischen Verbindungen der Schalteinrichtung 10 sind mittels einer Verbindungseinrichtung 3 ausgebildet, die im einfachsten Fall aus einer elektrisch leitenden Folie 30 besteht, die einzelne nicht, weder mechanisch noch elektrisch, miteinander verbundene Leiterbahnabschnitte ausbildet. Diese Leiterbahnabschnitte verbinden insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, genauer dessen Kontaktflächen auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite, mit Leiterbahnen 22 des Substrats 2. The internal electrical connections of the switching device 10 are by means of a connection device 3 formed, in the simplest case of an electrically conductive film 30 consists of the individual, not formed, either mechanically or electrically, interconnected interconnect sections. These conductor track sections in particular connect the respective power semiconductor component 26 , More precisely, its contact surfaces on the substrate 2 opposite side, with tracks 22 of the substrate 2 ,

Die Verbindungseinrichtung 3 ist vorzugsweise als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden Folie 30 bzw. 32 und mit mindestens einer elektrisch isolierenden Folie 31 ausgebildet ist. Die mindestens eine elektrisch leitende Folie 30, 32 der Verbindungseinrichtung 3 ist in sich strukturiert und bildet somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus. Im Falle des Vorhandensein von mehreren elektrisch leitenden Folien ist jeweilig zwischen den elektrisch leitenden Folien eine elektrisch isolierende angeordnet. The connection device 3 is preferably as a film stack with at least one electrically conductive film 30 respectively. 32 and with at least one electrically insulating film 31 is trained. The at least one electrically conductive foil 30 . 32 the connection device 3 is structured in itself and thus forms mutually electrically insulated conductor track sections. In the case of the presence of a plurality of electrically conductive films, an electrically insulating is respectively arranged between the electrically conductive films.

Die Folien des Folienstapels sind vorzugsweise miteinander, insbesondere stoffschlüssig, verbunden. The films of the film stack are preferably connected to one another, in particular materially bonded.

Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Folienverbund 3 zwei leitende Folien 30 und 32 und eine dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Folie 31 auf. Insbesondere die leitenden Folien 30 und 32 der Verbindungseinrichtung 3 sind in sich strukturiert und bilden somit voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnabschnitte aus. In the context of the embodiment, the film composite 3 two conductive foils 30 and 32 and an electrically insulating film interposed therebetween 31 on. In particular, the conductive films 30 and 32 the connection device 3 are structured in themselves and thus form mutually electrically insulated conductor track sections.

Die Verbindungseinrichtung 3 weist eine dem Substrat 2 zugewandte erste Hauptfläche 300 und eine dem Substrat 2 abgewandte zweite Hauptfläche 320 auf. Die Schalteinrichtung 10 ist mittels der Verbindungseinrichtung 3 intern schaltungsgerecht verbunden. Die Leiterbahnabschnitte der Verbindungseinrichtung 3 verbinden insbesondere das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, 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 des Leistungshalbleiterbauelement 26 mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können gleichartig auch Verbindungen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 26 und zwischen den Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden. Insbesondere bei Drucksinterverbindungen ist es vorteilhaft eine elektrisch isolierende Masse 28 am Randbereich der Leistungshalbleiterbauelemente 26 anzuordnen. Die isolierende Masse 28 kann auch in den Zwischenräumen der Leiterbahnen 26 angeordnet werden. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche der Folie 30 bildet beim Ausführungsbeispiel die erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende dem Substrat 2 abgewandte Oberfläche der Folie 32 die zweite Hauptfläche 320 ausbildet. Falls die Verbindungseinrichtung 3 nur aus einer elektrisch leitenden Folie 30 besteht, wird die erste Hauptfläche 300 durch die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche der Folie 30 gebildet und die zweite Hauptfläche 320 durch die dem Substrat 2 abgewandte Oberfläche der Folie 30 gebildet. The connection device 3 has a the substrate 2 facing first major surface 300 and one to the substrate 2 remote second main surface 320 on. The switching device 10 is by means of the connection device 3 internally connected in accordance with the circuit. The conductor track sections of the connection device 3 in particular, connect the respective power semiconductor component 26 , More precisely, its contact surfaces on the substrate 2 opposite side, with tracks 22 of the substrate 2 , In a preferred embodiment, the conductor track sections with the contact surfaces of the power semiconductor component 26 connected by a sintered connection cohesively. Of course, similar connections between the power semiconductor devices 26 and between the conductor tracks 22 of the substrate 2 be formed. In particular, in the case of pressure sintered connections, it is advantageous for an electrically insulating mass 28 at the edge region of the power semiconductor components 26 to arrange. The insulating mass 28 can also be in the spaces between the tracks 26 to be ordered. The the substrate 2 facing surface of the film 30 forms the first main surface in the embodiment 300 while the opposite is the substrate 2 remote surface of the film 32 the second main area 320 formed. If the connecting device 3 only from an electrically conductive foil 30 exists, becomes the first major surface 300 through the substrate 2 facing surface of the film 30 formed and the second major surface 320 through the substrate 2 remote surface of the film 30 educated.

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. For external electrical connection, the power semiconductor module 1 Load and auxiliary connection elements, in which case only the load connection elements 4 are shown. These load connection elements 4 are purely exemplary formed as a metal moldings, with a contact foot with a conductor track 22 of the substrate 2 cohesively, advantageously also by means of a sintered connection, are connected.

Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein Gehäuse 6 auf, das mit dem Substrat 2, insbesondere mit einer Klebeverbindung, verbunden ist. Die Lastanschlusselemente 4 ragen durch das Gehäuse 6 und bilden dort Lastkontakteinrichtungen 40 zur elektrischen Kontaktierung mit einem externen elektrischen Leitungselement (z.B. Stromschiene oder Kabel) aus. The power semiconductor module 1 also has a housing 6 on that with the substrate 2 , in particular with an adhesive connection, is connected. The load connection elements 4 protrude through the housing 6 and form there load contact devices 40 for electrical contact with an external electrical line element (eg busbar or cable).

Das Leistungshalbleitermodul 1 weist eine Druckeinrichtung 5, die einen Druckkörper 50 und vom Druckkörper 50 in Richtung auf die Leistungshalbleiterbauelemente 26 vorstehende Druckelemente 52 aufweist. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Druckkörper 50 erste Ausnehmungen 504 auf, aus denen jeweilig 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 Normalenrichtung N des Substrats 2 fluchtend oberhalb einer dem Substrat 2 abgewandten Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Abschnitt 322 in Projektion entlang der Normalenrichtung N des Substrats 2 innerhalb der dem Substrat 2 abgewandten Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnet. The power semiconductor module 1 has a printing device 5 that is a pressure hull 50 and from the pressure hull 50 towards the power semiconductor devices 26 protruding pressure elements 52 having. In the context of the embodiment, the pressure body 50 first recesses 504 on, from each of which a pressure element 52 protruding, wherein the pressure element 52 on a section 322 the second major surface 320 the connection device 3 press and this section 322 in the normal direction N of the substrate 2 in alignment above a substrate 2 opposite surface 26a of the power semiconductor device 26 is arranged. Preferably, the section 322 in projection along the normal direction N of the substrate 2 within the substrate 2 opposite surface 26a of the power semiconductor device 26 arranged.

Das Druckelement 52 kann im einfachsten Falle auf den Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 drücken, indem die hierzu notwendige Druckkraft von der Schwerkraft erzeugt wird, die die Druckeinrichtung 5 gegen den Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 drückt, wenn die Druckeinrichtung 5, bezogen auf den Erdmittelpunkt, über der Verbindungseinrichtung 3 angeordnet ist. Zur Druckerzeugung ist das vorhanden sein des Befestigungsmittels 7 und der Kühleinrichtung 8 somit nicht unbedingt notwendig. The pressure element 52 can in the simplest case on the section 322 the second major surface 320 the connection device 3 press, by the pressure force required for this purpose is generated by gravity, the pressure device 5 against the section 322 the second major surface 320 the connection device 3 pushes when the pressure device 5 , relative to the center of the earth, above the connecting device 3 is arranged. For pressure generation, this is the presence of the fastener 7 and the cooling device 8th thus not necessarily necessary.

Die erste Ausnehmungen 504 des Druckkörpers 50 sind vorzugsweise als Vertiefung, ausgehend von einer dem Substrat 2 zugewandten ersten Hauptfläche 500 des Druckkörpers 50, ausgebildet. The first recesses 504 of the pressure hull 50 are preferably as a depression, starting from a substrate 2 facing first major surface 500 of the pressure hull 50 , educated.

Der Flächeninhalt des Abschnitts 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 beträgt mindestens 20%, insbesondere mindestens 50%, der dem Substrat 2 abgewandten Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26. The area of the section 322 the second major surface 320 the connection device 3 is at least 20%, in particular at least 50%, of the substrate 2 opposite surface 26a of the power semiconductor device 26 ,

Der Druckkörper 50 weist eine dem Substrat 2 zugewandte erste Hauptfläche 500 und eine zweite dem Substrat 2 abgewandte Hauptfläche 502 auf. Der Druckkörper 50 ist vorzugsweise 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 1 besteht der Druckkörper 50 vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid. The pressure hull 50 has a the substrate 2 facing first major surface 500 and a second one to the substrate 2 opposite main surface 502 on. The pressure hull 50 is preferably rigidly formed around him initiated pressure homogeneously to the printing elements 52 to pass on. For this and against the background of the thermal loads during operation of the power semiconductor module 1 is the pressure body 50 preferably made of a high temperature resistant thermoplastic, in particular of polyphenylene sulfide.

Das Verhältnis von lateraler Ausdehnung des Druckkörpers 50 zu Ausdehnung des Druckkörpers 50 in Normalenrichtung N des Substrat 2 beträgt vorzugsweise mindestens 3 zu 1, insbesondere mindestens 5 zu 1. The ratio of lateral expansion of the pressure hull 50 to extent the pressure hull 50 in the normal direction N of the substrate 2 is preferably at least 3 to 1, in particular at least 5 to 1.

Erfindungsgemäß besteht das Druckelement 52 aus einer elastischen Hülle 52‘ in deren Inneren ein Phasenwechselmaterial 52‘ (englisch: Phase Change Material) angeordnet ist. Phasenwechselmaterialien weisen eine hohe spezifische Schmelzenthalpie auf und können somit beim Übergang von ihrem festen in ihren flüssigen Zustand (Phasenwechsel) bei Phasenwechseltemperatur eine hohe Wärmeenergie aufnehmen. Phasenwechselmaterialien sind für unterschiedliche Phasenwechseltemperaturen kommerziell erhältlich und bestehen techniküblich z.B. aus Salzhydraten, wie z.B. MnH2O oder aus organischen Materialien wie z.B. Paraffinen (z.B. CnH2n+2) oder Fettsäuren (z.B. CH3(CH2)2nCOOH). Als Phasenwechselmaterial kann z.B. auch MgCl2 × 6H20 eingesetzt werden. Durch die Elastizität der Hülle 52‘ kann sich das Druckelement 52 beim Drücken verformen und sich so an die Kontur des Abschnitts 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 anpassen und sich somit indirekt an die Kontur der dem Substrat 2 abgewandten Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26 anpassen, so dass der vom Druckelement 52 auf das Leistungshalbleiterbauelement 26 ausgeübte Druck sich homogen über die Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26 verteilt und sich somit keine lokalen Druckspitzen, die zu einer Zerstörung des Leistungshalbleiterbauelements 26 führen können, ausbilden können. Die Hülle 52‘ besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Silikonkautschuk. Das Druckelement 52 kann z.B. gefertigt werden, indem eine an einer Stelle offene Hülle mit einem Phasenwechselmaterial befüllt wird und anschließend die Öffnung der Hülle verschweißt wird. According to the invention, the pressure element 52 from an elastic shell 52 ' in their interior a phase change material 52 ' (English: Phase Change Material) is arranged. Phase change materials have a high specific melting enthalpy and can thus absorb a high thermal energy at the transition from their solid to their liquid state (phase change) at phase change temperature. Phase change materials are commercially available for different phase change temperatures and consist technically usual example of salt hydrates, such as M n H 2 O or organic materials such as paraffins (eg C n H 2n + 2 ) or fatty acids (eg CH 3 (CH 2 ) 2n COOH) , As a phase change material, for example, MgCl 2 × 6H 2 0 can be used. Due to the elasticity of the shell 52 ' can the pressure element 52 when pressed deform and so to the contour of the section 322 the second major surface 320 the connection device 3 adjust and thus indirectly to the contour of the substrate 2 opposite surface 26a of the power semiconductor device 26 adjust so that the from the pressure element 52 on the power semiconductor device 26 applied pressure is homogeneous across the area 26a of the power semiconductor device 26 distributed and thus no local pressure spikes, leading to destruction of the power semiconductor device 26 can lead, educate. The case 52 ' is preferably made of an elastomer, in particular of a silicone rubber. The pressure element 52 For example, it can be made by filling a shell open at one point with a phase change material and then sealing the opening of the shell.

Die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials liegt vorzugsweise 0,1% bis 25%, insbesondere 0,1% bis 10%, insbesondere 0,1% bis 5% unterhalb der im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements 26 vom Hersteller des Leistungshalbleiterbauelements 26, z.B. in einem Datenblatt angegebenen, zulässigen maximalen Junctiontemperatur Tjmax des Leistungshalbleiterbauelements 26. Hierdurch wird das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, speziell dann wenn sich im Betrieb, z.B. im Falle von kurzzeitigen Leistungsspitzen, die Junctiontemperatur Tj des Leistungshalbleiterbauelements 26 der zulässigen maximalen Junctiontemperatur Tjmax des Leistungshalbleiterbauelements 26 nähert, mittels der Druckelemente 52 zusätzlich gekühlt. Die im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements (26) zulässige maximale Junctiontemperatur Tjmax des Leistungshalbleiterbauelements 26 liegt bei den meisten Leistungshalbleiterbauelementen (26) in einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C und beträgt insbesondere 150°C oder 175°C. The phase change temperature of the phase change material is preferably 0.1% to 25%, in particular 0.1% to 10%, in particular 0.1% to 5% below that during operation of the power semiconductor component 26 from the manufacturer of the power semiconductor device 26 , For example, in a data sheet given, permissible maximum junction temperature T jmax of the power semiconductor device 26 , As a result, the respective power semiconductor component 26 , Especially when in operation, for example in the case of short-term power peaks, the junction temperature T j of the power semiconductor device 26 the permissible maximum junction temperature T jmax of the power semiconductor device 26 approaches, by means of the pressure elements 52 additionally cooled. During operation of the power semiconductor component ( 26 ) allowable maximum junction temperature T jmax of the power semiconductor device 26 lies with most power semiconductor devices ( 26 ) in a temperature range of 150 ° C to 200 ° C and is in particular 150 ° C or 175 ° C.

Der Volumenanteil des Phasenwechselmaterials beträgt vorzugsweise 10% bis 70%, insbesondere 10% bis 50%, vom Gesamtvolumen des Druckelements beträgt, da dann das Druckelement einerseits eine hohe Menge an Wärmenergie aufnehmen kann und andererseits zumindest durch die elastische Hülle eine Elastizität aufweist. The volume fraction of the phase change material is preferably 10% to 70%, in particular 10% to 50%, of the total volume of the pressure element, since then the pressure element on the one hand can absorb a high amount of heat energy and on the other hand, at least by the elastic shell has an elasticity.

Das Phasenwechselmaterial weist vorzugsweise eine spezifische Schmelzenthalpie von 80kJ/kg bis 300kJ/kg aufweist. The phase change material preferably has a specific enthalpy of fusion of 80 kJ / kg to 300 kJ / kg.

Die Rückwechseltemperatur bei der das Phasenwechselmaterial von seinem flüssigen Zustand in seinen festen Zustand wechselt, liegt vorzugsweise mindestens 5°C, insbesondere mindestens 10°C, unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials liegt, da dann bei Temperaturschwankungen des Phasenwechselmaterials um die Phasenwechseltemperatur herum, das Phasenwechselmaterial nicht häufig seinen Zustand von fest in flüssig und umgekehrt wechselt. Weiterhin wird das Leistungshalbleiterbauelement, wenn es gerade im Betrieb eine hohe Temperatur aufweist, nicht zusätzlich durch die vom Phasenwechselmaterial beim Übergang von seinem flüssigen Zustand in seinen festen Zustand abgegebene Wärme erwärmt. The return temperature at which the phase change material changes from its liquid state to its solid state is preferably at least 5 ° C., in particular at least 10 ° C., below the phase change temperature of the phase change material, since then the phase change material is not present when the phase change material fluctuates in temperature around the phase change temperature often changes its state from solid to liquid and vice versa. Furthermore, the power semiconductor device, when in high temperature operation, is not additionally heated by the heat released by the phase change material in the transition from its liquid state to its solid state.

Der Druckkörper 50 der Druckreinrichtung 5 weist vorzugsweise eine Metalleinlage 56 auf, die vorzugsweise in einer zweite Ausnehmung 506 des Druckkörpers 50 an der zweiten Hauptfläche 502 der Druckeinrichtung 5 angeordnet ist. Der Druckkörper 5 weist vorzugsweise eine zweite Durchgangsöffnung 54 auf. The pressure hull 50 the printing device 5 preferably has a metal insert 56 on, preferably in a second recess 506 of the pressure hull 50 at the second major surface 502 the printing device 5 is arranged. The pressure hull 5 preferably has a second passage opening 54 on.

Das Gehäuse 6 weist vorzugsweise eine dritte Durchgangsöffnung 64 auf, die zur ersten und zweiten Durchgangsöffnung 24 und 54 fluchtend angeordnet ist. Durch diese Durchgangsöffnungen hindurchreichend ist als Befestigungsmittel 7 eine Schraube angeordnet, die in eine Kühlreinrichtung 80 bzw. 82. eingeschraubt ist und somit Druck über das Gehäuse 6, genauer ausgedrückt über den Gehäusedeckel 6‘, auf die Druckeinrichtung 5 ausübt und über die Druckeinrichtung 5 und die Verbindungseinrichtung 3, das Substrat 2, genau an den Stellen an denen die Leistungshalbleiterbauelemente 26 angeordnet sind auf die Kühleinrichtung 80 bzw. 82 drückt und somit kraftschlüssig das Substrat 2 mit der Kühleinrichtung 8 verbindet. Es sei angemerkt, dass verallgemeinert das Befestigungsmittel 7 bzw. die Schraube 7 auch direkt auf die Druckeinrichtung 5 Druck ausüben kann, so dass das Druckelement 52 auf einen Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 drückt. Dies kann z.B. erreicht werden, indem dem die dritte Durchgangsöffnung 64 entsprechend groß ausgeführt ist, so dass der Schraubenkopf der Schraube 7 durch die dritte Durchgangsöffnung 64 hindurchpasst oder indem der Gehäusedeckel 6‘ entfällt oder grundlegend andersartig, als in 1 dargestellt, ausgebildet ist. The housing 6 preferably has a third passage opening 64 on, to the first and second through hole 24 and 54 is arranged in alignment. Through reaching through these openings is as a fastener 7 a screw arranged in a cooling device 80 respectively. 82 , is screwed in and thus pressure on the housing 6 More precisely, about the housing cover 6 ' , on the printing device 5 exercises and over the printing device 5 and the connection device 3 , the substrate 2 , exactly where the power semiconductor devices 26 are arranged on the cooling device 80 respectively. 82 pushes and thus frictionally the substrate 2 with the cooling device 8th combines. It should be noted that generalizes the fastener 7 or the screw 7 also directly to the printing device 5 Can exert pressure, so that the pressure element 52 on a section 322 the second major surface 320 the connection device 3 suppressed. This can for example be achieved by the third through hole 64 is made correspondingly large, so that the screw head of the screw 7 through the third passage opening 64 passes through or by the housing cover 6 ' deleted or fundamentally different, than in 1 shown, is formed.

Zusammenfassend sei somit angemerkt, dass das Befestigungsmittel 7 bzw. die Schraube 7 indirekt (über mindestens ein zwischenliegendes Element) oder direkt auf die Druckeinrichtung 5 Druck ausüben kann, so dass das Druckelement 52 auf einen Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 drückt. In summary, it should be noted that the fastener 7 or the screw 7 indirectly (via at least one intermediate element) or directly to the printing device 5 Can exert pressure, so that the pressure element 52 on a section 322 the second major surface 320 the connection device 3 suppressed.

Der Druckkörper 50 der Druckeinrichtung 5 verteilt den Druck gleichmäßig auf die Druckelemente 52, die ihrerseits auf die Abschnitte 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 homogen drücken. Die Abschnitte 322 der zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3, die mit Druck beaufschlagt werden, sind vorzugsweise derart gewählt, dass sie, betrachtet in Normalenrichtung N des Substrats 2, innerhalb der dem Substrat 2 abgewandten Fläche 26a des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnet sind. Somit drückt das Druckelement 52 mittels der Verbindungseinrichtung 3 derart auf das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 26, dass dieses, genauer ausgedrückt das darunter befindliche Substrat 2, auf die Kühleinrichtung 80 bzw. bzw. gedrückt wird und somit der thermische Kontakt vom Leistungshalbleiterbauelement 26 zur Kühleinrichtung 80 bzw. 82 optimal ausgebildet ist. The pressure hull 50 the printing device 5 distributes the pressure evenly on the printing elements 52 , in turn, on the sections 322 the second major surface 320 the connection device 3 press homogeneously. The sections 322 the second major surface 320 the connection device 3 , which are pressurized, are preferably selected such that, viewed in the normal direction N of the substrate 2 , within the substrate 2 opposite surface 26a the respective power semiconductor device 26 are arranged. Thus, the pressure element presses 52 by means of the connecting device 3 in such a way to the respective power semiconductor device 26 in that, more precisely, the underlying substrate 2 , on the cooling device 80 or is pressed and thus the thermal contact of the power semiconductor device 26 to the cooling device 80 respectively. 82 is optimally designed.

Durch die Druckeinleitung auf die elastischen Druckelemente 52 können sich diese verformen, wobei es hierbei auch möglich ist, dass ihre laterale Ausdehnung zunimmt. By the pressure introduction to the elastic pressure elements 52 These can deform, whereby it is also possible that their lateral expansion increases.

Zwischen dem Substrat 2 und der Kühleinrichtung 82 bzw. 80 kann eine Wärme leitende Schicht, z.B. eine Wärmeleitpaste 800, angeordnet sein. Between the substrate 2 and the cooling device 82 respectively. 80 may be a heat conductive layer, such as a thermal grease 800 be arranged.

Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist die Kühleinrichtung als ein Kühlkörper 82 ausgebildet. Die Kühleinrichtung ist in 1 beispielhaft als Kühlkörper 82 zur Luftkühlung dargestellt, kann aber ebenso als Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung ausgebildet sein. Der Kühlkörper 82 weist eine metallische Grundplatte 80 auf, von der sich aus Kühlfinnen 80a bzw. Kühlpins 80a erstrecken. Alternativ kann die Kühleinrichtung aber auch nur in Form der metallischen Grundplatte 80 ausgebildet sein. Die metallische Grundplatte 80 ist in diesem Fall zur Montage an einen Kühlkörper (z.B. Luftkühlkörper oder Wasserkühlkörper) vorgesehen. In the context of the embodiment, the cooling device is a heat sink 82 educated. The cooling device is in 1 by way of example as a heat sink 82 shown for air cooling, but may also be designed as a heat sink for liquid cooling. The heat sink 82 has a metallic base plate 80 on, from which are cooling fins 80a or cooling pins 80a extend. Alternatively, the cooling device but only in the form of the metallic base plate 80 be educated. The metallic base plate 80 is in this case intended for mounting on a heat sink (eg air heat sink or water heat sink).

2 zeigt eine Draufsicht auf die Schalteinrichtung 10 in verschiedenen Schnittebenen. Die Schnittebene gemäß 2a zeigt zwei Leistungshalbleiterbauelemente 26, die (nicht dargestellt) auf einer gemeinsamen Leiterbahn 22 oder unterschiedlichen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 angeordnet sind. Es handelt sich hier um einen Transistor mit einer mittigen Gateanschlussfläche 90 und mit diese umrahmende Emitteranschlussflächen 91 und um eine Diode mit einer Kathodenanschlussfläche 92. 2 shows a plan view of the switching device 10 in different cutting planes. The cutting plane according to 2a shows two power semiconductor devices 26 , which (not shown) on a common track 22 or different tracks 22 of the substrate 2 are arranged. This is a transistor with a central gate pad 90 and with these framing emitter pads 91 and a diode having a cathode pad 92 ,

2b zeigt die erste in sich strukturierte elektrisch leitende Folie 30 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Emitteranschlussflächen 91 des Transistors und der Kathodenanschlussfläche 91 der Diode aus. Hierbei ist die Gateanschlussfläche 90 des Transistors ausgespart. 2 B shows the first self-structured electrically conductive film 30 the connection device 3 , This forms an electrically conductive connection between the emitter pads 91 of the transistor and the cathode pad 91 the diode off. Here is the gate pad 90 of the transistor recessed.

2c zeigt die zweite in sich strukturierte elektrisch leitende Folie 32 der Verbindungseinrichtung 3. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zur Gateanschlussfläche 90 des Transistors. 2c shows the second self-structured electrically conductive film 32 the connection device 3 , This forms an electrically conductive connection to the gate pad 90 of the transistor.

2d zeigt die mechanische Kontaktfläche 70 der den Leistungshalbleiterbauelementen 26 zugeordneten Druckelementen 52, genauer ausgedrückt deren Hüllen 52‘, auf der nicht dargestellten Verbindungseinrichtung 3, wobei dem Transistor vorzugsweise aufgrund seiner quadratischen Grundform nur ein Druckelement 52 und der Diode aufgrund ihrer rechteckigen Grundform zwei Druckelemente 52 zugeordnet sind. 2d shows the mechanical contact surface 70 the power semiconductor devices 26 associated printing elements 52 More precisely, their covers 52 ' , on the connecting device, not shown 3 , wherein the transistor is preferably only one pressure element due to its square basic shape 52 and the diode due to their rectangular basic shape two printing elements 52 assigned.

Die mechanische Kontaktflächen 70 der Hüllen 52‘, die mit der Verbindungseinrichtung 3 einen mechanischen Kontakt aufweisen, ragen vorzugsweise nicht über die dem Substrat 2 abgewandte Fläche 26a des Leistungshalbleiterbauelements 26 hinaus. Hierdurch wird eine Druckbeanspruchung der im Allgemeinen druckempfindlichen Randkante der Leistungshalbleiterbauelemente 26 vermieden. The mechanical contact surfaces 70 the covers 52 ' connected to the connection device 3 have a mechanical contact, preferably do not project beyond the substrate 2 opposite surface 26a of the power semiconductor device 26 out. As a result, a compressive stress of the generally pressure-sensitive edge of the power semiconductor components 26 avoided.

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. Of course, unless this is excluded per se, the features mentioned in the singular, in particular the power semiconductor component and the connection device, may also be present multiple times in the power semiconductor module according to the invention. In particular, a plurality of power semiconductor components may be arranged on one or more tracks of a substrate.

Claims (14)

Leistungshalbleitermodul (1) mit einer Schalteinrichtung (10), die ein Substrat (2), ein auf dem Substrat (2) angeordnetes Leistungshalbleiterbauelement (26) und eine Verbindungseinrichtung (3) aufweist, und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5), wobei das Substrat (2) gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen (22) aufweist, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (26) auf einer Leiterbahn (22) des Substrats (2) angeordnet und stoffschlüssig elektrisch leitend mit dem Substrat (2) verbunden ist, wobei die Verbindungseinrichtung (3) eine dem Substrat (2) zugewandte erste Hauptfläche (300) und eine dem Substrat (2) abgewandte zweite Hauptfläche (320) und eine elektrisch leitende Folie (30, 32) aufweist, wobei die Schalteinrichtung (10) mittels der Verbindungseinrichtung (3) intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung (5) einen Druckkörper (50) und ein vom Druckkörper (50) in Richtung auf das Leistungshalbleiterbauelement (26) vorstehendes Druckelement (52) aufweist, wobei das Druckelement (52) auf einen Abschnitt (322) der zweiten Hauptfläche (320) der Verbindungseinrichtung (3) drückt und hierbei dieser Abschnitt (322) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) fluchtend mit einer dem Substrat (2) abgewandten Fläche (26a) des Leistungshalbleiterbauelements (26) oberhalb dieser angeordnet ist, wobei das Druckelement (52) aus einer elastischen Hülle (52‘) besteht in deren Inneren ein Phasenwechselmaterial (52‘‘) angeordnet ist. Power semiconductor module ( 1 ) with a switching device ( 10 ), which is a substrate ( 2 ), one on the substrate ( 2 ) arranged power semiconductor device ( 26 ) and a connection device ( 3 ) and with a normal direction (N) of the substrate ( 2 ) movably formed printing device ( 5 ), the substrate ( 2 ) against each other electrically insulated conductor tracks ( 22 ), wherein the power semiconductor component ( 26 ) on a conductor track ( 22 ) of the substrate ( 2 ) and cohesively electrically conductive with the substrate ( 2 ), the connecting device ( 3 ) a the substrate ( 2 ) facing the first main surface ( 300 ) and a substrate ( 2 ) facing away from the second main surface ( 320 ) and an electrically conductive foil ( 30 . 32 ), wherein the switching device ( 10 ) by means of the connection device ( 3 ) is internally connected circuit-wise, the printing device ( 5 ) a pressure body ( 50 ) and one of the pressure body ( 50 ) in the direction of the power semiconductor component ( 26 ) protruding pressure element ( 52 ), wherein the pressure element ( 52 ) to a section ( 322 ) of the second main surface ( 320 ) of the connection device ( 3 ) and this section ( 322 ) in the normal direction (N) of the substrate ( 2 ) in alignment with a substrate ( 2 ) facing away from the surface ( 26a ) of the power semiconductor device ( 26 ) is arranged above this, wherein the pressure element ( 52 ) of an elastic shell ( 52 ' ) in the interior of which a phase change material ( 52 '' ) is arranged. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials, bei der das Phasenwechselmaterial von seinem festen Zustand in seinen flüssigen Zustand wechselt, 0,1% bis 25%, insbesondere 0,1% bis 10%, insbesondere 0,1% bis 5%, unterhalb der im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements (26) zulässigen maximalen Junctiontemperatur (Tjmax) des Leistungshalbleiterbauelements (26) liegt. Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that the phase change temperature of the phase change material, in which the Phase change material changes from its solid state to its liquid state, 0.1% to 25%, in particular 0.1% to 10%, in particular 0.1% to 5%, below that during operation of the power semiconductor component ( 26 ) permissible maximum junction temperature (T jmax ) of the power semiconductor component ( 26 ) lies. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements (26) zulässige maximale Junctiontemperatur (Tjmax) des Leistungshalbleiterbauelements (26) in einem Temperaturbereich von 150°C bis 200°C liegt. Power semiconductor module according to claim 2, characterized in that during operation of the power semiconductor component ( 26 ) permissible maximum junction temperature (T jmax ) of the power semiconductor component ( 26 ) in a temperature range of 150 ° C to 200 ° C. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (52‘) aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Silikonkautschuk, besteht. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the envelope ( 52 ' ) consists of an elastomer, in particular of a silicone rubber. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Phasenwechselmaterials (52‘‘) 10% bis 70%, insbesondere 10% bis 50%, vom Gesamtvolumen des Druckelements (52) beträgt. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the volume fraction of the phase change material ( 52 '' ) 10% to 70%, in particular 10% to 50%, of the total volume of the pressure element ( 52 ) is. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (52‘‘) aus mindestens einem Salzhydrat oder aus mindestens einem organischen Material besteht. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material ( 52 '' ) consists of at least one salt hydrate or of at least one organic material. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (52‘‘) eine spezifische Schmelzenthalpie von 80kJ/kg bis 300kJ/kg aufweist. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the phase change material ( 52 '' ) has a specific enthalpy of fusion of 80 kJ / kg to 300 kJ / kg. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwechseltemperatur, bei der das Phasenwechselmaterial (52‘‘) von seinem flüssigen Zustand in seinen festen Zustand wechselt, mindestens 5°C, insbesondere mindestens 10°C, unterhalb der Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials liegt. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the return temperature at which the phase change material ( 52 '' ) changes from its liquid state to its solid state, at least 5 ° C, in particular at least 10 ° C, below the phase change temperature of the phase change material. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (50) eine erste Ausnehmung (504) aufweist, aus der das Druckelement (52) hervorstehend angeordnet ist. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure body ( 50 ) a first recess ( 504 ), from which the pressure element ( 52 ) is arranged protruding. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausnehmung (504) des Druckkörpers (50) als Vertiefung, ausgehend von einer dem Substrat (2) zugewandten ersten Hauptfläche (500) des Druckkörpers (50), ausgebildet ist. Power semiconductor module according to claim 9, characterized in that the first recess ( 504 ) of the pressure hull ( 50 ) as a depression, starting from a substrate ( 2 ) facing the first main surface ( 500 ) of the pressure hull ( 50 ), is trained. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (50) aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, besteht. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure body ( 50 ) consists of a high temperature resistant thermoplastic material, in particular polyphenylene sulfide. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kontaktfläche (70) der Hülle (52‘), die mit der Verbindungseinrichtung (3) einen mechanischen Kontakt aufweist, nicht über die dem Substrat (2) abgewandte Fläche (26a) des Leistungshalbleiterbauelements (26) hinausragt. Power semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical contact surface ( 70 ) of the envelope ( 52 ' ) connected to the connection device ( 3 ) has a mechanical contact, not beyond that of the substrate ( 2 ) opposite surface ( 26a ) of the power semiconductor device ( 26 protrudes). Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kühleinrichtung (8) und mit einem Befestigungsmittel (7), das dazu ausgebildet ist, das Leistungshalbleitermodul (1) auf einer Kühleinrichtung (80) kraftschlüssig zu befestigen, wobei das Befestigungsmittel (7) auf die Druckeinrichtung (5) Kraft (F) in Richtung auf die Kühleinrichtung (80, 82) einleitet und hierdurch das Substrat (2) kraftschlüssig mit der Kühleinrichtung (80, 82) verbindet. Power semiconductor device with a power semiconductor module ( 1 ) according to one of the preceding claims, with a cooling device ( 8th ) and with a fastening means ( 7 ), which is adapted to the power semiconductor module ( 1 ) on a cooling device ( 80 ) fastened non-positively, wherein the fastening means ( 7 ) to the printing device ( 5 ) Force (F) towards the cooling device ( 80 . 82 ) and thereby the substrate ( 2 ) frictionally with the cooling device ( 80 . 82 ) connects. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (80, 82) als eine metallische Grundplatte (80) ausbildet ist, die zur Montage an einen Kühlkörper vorgesehen ist, oder als ein Kühlkörper (82) ausgebildet ist. Power semiconductor device according to claim 13, characterized in that the cooling device ( 80 . 82 ) as a metallic base plate ( 80 ), which is intended for mounting on a heat sink, or as a heat sink ( 82 ) is trained.
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