DE102016218817A1

DE102016218817A1 - Elektronisches Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102016218817A1
Application number: DE102016218817.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apelsmeier; Peter Juris; Giacomo Azzarito
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Elektronisches Leistungsmodul, umfassend wenigstens ein Halbleiterbauelement, das auf einem Träger angeordnet ist, wobei das Halbleiterbauelement (2) zwischen zwei flächigen leitfähigen Trägern (4) angeordnet ist, die in einem von einem isolierenden Kühlmittel (6) durchströmbaren Gehäuse (5) aufgenommen sind und mit Kontaktabschnitten (8) aus dem Gehäuse (5) herausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul, umfassend wenigstens ein Halbleiterbauelement, das auf einem Träger angeordnet ist.
Solche elektronischen Leistungsmodule kommen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Ein Beispiel sind Anwendungen im Kraftfahrzeug, wo sie im Betrieb über das üblicherweise auf 12 V ausgelegte Bordnetz beispielsweise im Bereich der Lenkungs- oder Getriebesteuerung verwendet werden. Andere Anwendungen sind bei Hybridfahrzeugen oder Plug-in-Hybridfahrzeugen oder rein elektrischen Fahrzeugen gegeben, wo solche Halbleiter-Leistungsmodule z. B. im Traktionspulswechselrichter oder im DC-DC-Wandler zum Einsatz kommen.
Leistungsmodule entwickeln über das Halbleiterbauelement im Betrieb Wärme, weshalb eine Kühlung erforderlich ist. Zu diesem Zweck wird zumeist ein Kühlelement verwendet, auf dem das Halbleiterbauteil vorgesehen ist. Zwischen Kühlelement, beispielsweise ein Kühlkörper aus Kupfer, und dem Halbleiterbauteil ist eine oder sind mehrere Zwischenschichten vorgesehen, die der Verbindung respektive elektrischen Isolierung oder der Signalleitung dienen. Infolge dieses Schichtaufbaus sind zahlreiche thermische Einzelwiderstände, die zu einem hohen resultierenden thermischen Widerstand führen und die effiziente Entwärmung des Bauteils verhindern, gegeben. Dazu gehören sowohl die Kontaktwiderstände an den Materialgrenzen als auch die Wärmeleitungswiderstände durch die einzelnen Schichten. Aufgrund der nicht unerheblichen Schichthöhen und teilweise geringen thermischen Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien nehmen die Wärmeleitungswiderstände hohe Werte an. Problematisch ist hier insbesondere die Isolationsschicht, die beispielsweise aus Al₂O₃ oder einem vergleichbaren Material ist, und die die Isolation zwischen dem Hochvolt-Kreis und dem Kühlkörper respektive dem Kühlmedium realisiert. Diese Isolationsschicht hat aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmaterials einen entscheidenden Einfluss auf den resultierenden thermischen Widerstand zwischen dem eigentlichen Halbleiterbauelement, also dem Leistungshalbleiter, in dem die Wärme umgesetzt wird, und dem Kühlkörper respektive Kühlmedium.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Leistungsmodul anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem elektronischen Leistungsmodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement zwischen zwei flächigen leitfähigen Trägern angeordnet ist, die in einem von einem isolierenden Kühlmittel durchströmbaren Gehäuse aufgenommen sind und mit Kontaktabschnitten aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
Beim erfindungsgemäßen Leistungsmodul ist das oder sind gegebenenfalls auch mehrere Halbleiterbauelemente zwischen zwei flächigen leitfähigen Trägern angeordnet, es ergibt sich also eine Art Sandwichaufbau. Diese Träger, beispielsweise aus Kupfer oder Silber, dienen einerseits der elektrischen Kontaktierung, andererseits der mechanischen Befestigung der Halbleiterbauelemente. Sie sind beispielsweise durch jeweilige Verbindungsschichten wie Lötschichten oder Sinterschichten oder über entsprechende Bondverbindungen mit den Trägern verbunden.
Die Träger nebst dem oder den Halbleiterbauelementen sind in einem Gehäuse aufgenommen, wobei Kontaktabschnitte der Träger aus dem Gehäuse herausgeführt sind, um sie mit Anschlüssen oder Steuerleitungen oder Ähnlichem zu verbinden.
Das Gehäuse selbst ist von einem isolierenden Kühlmittel durchströmbar bzw. durchströmt. Da das oder die Halbleiterbauelemente direkt ohne Zwischenschaltung einer Isolationsschicht oder Ähnlichem mit den Trägern verbunden sind, ergibt sich somit zum einen eine sehr gute Wärmeübertragung von dem oder den Halbleiterbauelementen zum jeweiligen Träger hin. Der Träger seinerseits liegt nun zumindest mit seiner Außenseite frei innerhalb des Gehäuses, wird also vom Kühlmittel umströmt, so dass eine sehr gute Wärmeabfuhr gegeben ist und eine hohe Kühlleistung erzielt werden kann. Sofern das oder die Halbleiterbauelemente zwischen den Trägern freiliegen, kann das Kühlmittel auch die Halbleiterbauelemente selbst direkt umströmen.
Die Träger sind wie beschrieben mit dem Halbleiterbauelement oder den Halbleiterbauelementen über jeweils eine Verbindungsschicht wie eine Lötschicht oder eine Sinterschicht elektrisch verbunden. Diese Verbindungsschichten ermöglichen einen guten Wärmeübergang vom Halbleiterbauelement zum jeweiligen Träger. Gleiches gilt für Bondverbindungen, über die das oder die Halbleiterbauelemente mit den Trägern elektrisch kontaktiert sein können.
Die Träger selbst weisen selbstverständlich eine entsprechende Strukturierung auf, so dass sie in geeigneter Weise mit dem oder den Halbleiterbauelementen elektrisch kontaktiert werden können.
Das Halbleiterbauelement selbst kann beispielsweise als IGBT oder als Dioden Bare Die ausgeführt sein, wobei diese Aufzählung natürlich nicht abschließend ist.
Den Trägern selbst kommt wie beschrieben eine mechanische und eine elektrische Funktion zu. Sie sind also einerseits hinreichend stabil auszuführen, so dass sie ihre Halte- oder Befestigungsfunktion ausüben können. Zu diesem Zweck können sie beispielsweise als geschlossene Fläche ausgeführt sein respektive eine solche bilden, mithin also quasi folienartig oder blattartig ausgeführt sein. Eine gewisse Flexibilität ist zweckmäßig, jedoch nicht zwingend. Alternativ können sie auch als Gitter ausgeführt sein, also von Haus aus gitterförmig strukturiert sein oder mit entsprechenden Perforationslöchern, seien es Rundlöcher, seien es Langlöcher oder eckige Löcher etc., versehen sein, so dass sich eine offene Struktur ergibt. Zur Erfüllung der leitfähigen Funktion sind die Träger wie beschrieben beispielsweise aus Kupfer oder Silber.
Zur weiteren Verbesserung der Kühlleistung kann ein oder können beide Träger an der Außenfläche strukturiert sein, das heißt, dass über diese Strukturierung die Oberfläche vergrößert wird. Diese Strukturierung kann beispielsweise in Form von länglichen, parallel verlaufenden Erhebungen wie Stegen oder Rippen gegeben sein.
Weiterhin kann ein oder können mehrere Steuerleitungen von außerhalb des Gehäuses über die Träger zu dem Halbleiterbauelement geführt sein. Solche Steuerleitungen können, wenn es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweise um ein Schaltelement handelt, z. B. Hilfs- oder Gateanschlussleitungen oder Ähnliches sein. Diese Anschlussleitungen können direkt auf dem jeweiligen Träger ausgebildet werden und beispielsweise über entsprechende Isolierschichten vom Träger isoliert sein, sofern dies erforderlich ist.
Wie bereits beschrieben ist es selbstverständlich denkbar, mehrere Halbleiterbauelemente zwischen den Trägern anzuordnen und mit diesen Trägern, die dann natürlich entsprechend strukturiert sind, elektrisch zu kontaktieren. Auf diese Weise kann beispielsweise ein entsprechend großes Array zwischen zwei Trägern angeordnet und über die Träger verschaltet werden.
Das Kühlmittel selbst kann beispielsweise über eine externe Pumpe mittels erzwungener Konvektion über die Träger respektive die Halbleiterbauelemente strömen, das heißt, dass ein aktives Pumpen respektive aktives Zuführen des Kühlmittels erfolgt. Zu diesem Zweck können an dem Gehäuse, das bevorzugt aus Kunststoff ist, aber auch aus Metall sein kann, entsprechende Anschlusselemente zum Anschließen von das Kühlmittel führenden Leitungen vorgesehen sein. Als geeignetes Kühlmittel kann ein geeignetes dielektrisches Fluid wie beispielsweise SOLKATHERM^® SES36 oder Galden^® HAT-55 verwendet werden, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Selbst die Nutzung von deionisiertem Wasser ist denkbar. Die erzwungene Konvektion über eine externe Pumpe lässt darüber hinaus eine Erweiterung bis zu einer Phasenübergangskühlung und konvektivem Strömungssieden zu.
Als Kühlmedium kann aber auch ein Gas oder ein Sprühnebel eingesetzt werden, wobei anstelle einer erzwungenen Strömung auch ein geschlossenes System in Form eines Siedebades genutzt werden kann, oder eine Kühlung mit Naturumlauf. Das heißt, dass unterschiedliche Kühlmöglichkeiten gegeben sind, um das oder die in dem abgedichteten, isolierten Gehäuse aufgenommenen Halbleiterbauelemente zu kühlen.
Insgesamt lässt das erfindungsgemäße Leistungsmodul eine deutlich verbesserte Kühlung der Halbleiterbauelemente zu. Die dominierenden thermischen Übergangswiderstände werden beseitigt und die Verlustleistung direkt dort abgeführt, wo sie umgesetzt wird, nämlich am Halbleiterbauelement, also dem Leistungshalbleiter bzw. den thermisch gekoppelten Trägern. Dies führt zu einer deutlich verbesserten Ausnutzung des Halbleiterchips und damit zu kompakteren und leistungsfähigeren Halbleiterbauelementen. Die gleichmäßige Kühlung des oder der Halbleiterbauelemente führt darüber hinaus zu einer höheren Lebensdauer, wie sich auch durch den Entfall des aufwändigen Schichtaufbaus des Moduls der Fertigungs- und Materialaufwand verringert.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Leistungsmoduls einer ersten Ausführungsform,
2 eine Prinzipdarstellung eines Leistungsmoduls einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Prinzipdarstellung eines Trägers einer ersten Ausführungsform,
4 eine Prinzipdarstellung eines Trägers einer zweiten Ausführungsform, und
5 eine Seitenansicht eines Trägers einer dritten Ausführungsform.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektronisches Leistungsmodul 1 umfassend im gezeigten Beispiel zwei Halbleiterbauelemente 2, bei denen es beispielsweise um IGBTs oder Dioden Bare Dies handelt. Die beiden Halbleiterbauelemente 2 sind über Verbindungsschichten 3 jeweils mit einem oberhalb und unterhalb davon angeordneten Träger 4 verbunden. Bei diesen Verbindungsschichten 3 handelt es sich beispielsweise um Löt- oder Sinterschichten, die der mechanischen Befestigung und gleichzeitigen elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente 2 an den Trägern 4 dienen. Alternativ könnten auch Bondverbindungen vorgesehen sein.
Die Träger 4 selbst sind flächig und aus einem leitfähigen Material wie Kupfer oder Silber. Sie sind, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, bevorzugt gitterartig ausgeführt oder perforiert, wobei die entsprechende Perforation oder Gitterstruktur durch entsprechende mechanische Verfahren oder durch Ätzen oder dergleichen hergestellt werden können.
Ersichtlich sind die Halbleiterbauelemente 2 sowie die Träger 4 in einem abgedichteten, isolierten Gehäuse 5 aufgenommen, das von einem Kühlmedium 6 durchströmt wird, wobei die Durchströmungsrichtung, wie durch das Symbol 7 angegeben ist, senkrecht zur Zeichenebene liegt. Die Träger 4 selbst sind aus dem Gehäuse 5 herausgeführt, an ihren herausgeführten Kontaktabschnitten 8 sind im gezeigten Beispiel der weiteren Verschaltung dienende Anschlüsse 9 angeordnet, die ihrerseits mit entsprechenden Steuer- bzw. Signalleitungen etc. verbunden werden.
Das Gehäuse 5 wird wie beschrieben von einem Kühlmittel durchströmt. Bei diesem handelt es sich beispielsweise um ein Fluid oder ein Gas. Das Kühlmittel umströmt in jedem Fall die Träger 4 an ihrer Außenseite, gegebenenfalls aber auch direkt die Verbindungsschichten 3 sowie insbesondere die Halbleiterbauelemente 2, die die Wärmequellen sind. Um eine Konvektion zu erreichen, kann beispielsweise der Kühlmittelstrom durch aktives Pumpen erzeugt werden, wozu im Gehäuse nicht näher gezeigte Anschlussmittel für entsprechende Zu- und Abführleitungen, die zu einer Pumpe führen, vorgesehen sind.
2 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Auch hier sind zwei Leistungsbauelemente in Form der Halbleiterbauelemente 2 vorgesehen, die über Verbindungsschichten 3 mit den Trägern 4 verbunden sind. Diese Anordnung ist wiederum in einem Gehäuse 5, durch das ein Kühlmittel 6 strömt, aufgenommen. Die Kontaktabschnitte 8 der Träger 4 sind auch hier aus dem Gehäuse 5 herausgeführt und mit entsprechenden Anschlüssen 9 versehen.
Anders als bei der Ausgestaltung gemäß 1 weisen hier die beiden Außenseiten der Träger 4 entsprechende Strukturierungen 10 in Form von steg- oder rippenartigen Erhebungen respektive Vertiefungen auf, über die die Oberfläche der Träger 4 an der Außenseite vergrößert wird. Hierüber kann ein noch besserer Wärmeübergang zum Kühlmittel erfolgen, mithin also die Kühlleistung noch weiter verbessert werden.
3 zeigt eine Aufsicht auf einen Träger 4, der im gezeigten Beispiel mit Rundlöchern 11 perforiert ist. Hierüber wird zum einen Material eingespart, zum anderen ergibt sich eine offene Struktur, die es ermöglicht, dass das Kühlmittel auch durch den Träger 4 hindurchdringt und in den Bereich der Verbindungsschichten 3 bzw. der Halbleiterbauelemente 2 gelangt.
4 zeigt eine vergleichbare Ausgestaltung eines Trägers 4, wobei hier jedoch Langlöcher 12 zur Perforation des Trägers 4 vorgesehen sind.
5 zeigt schließlich eine Seitenansicht eines Trägers 4, der wiederum eine Strukturierung 10 aufweist, die hier jedoch in Form von einander abwechselnden, spitz zulaufenden Zacken, die wie die Stege oder Rippen gemäß 2 parallel zueinander verlaufen, ausgeführt ist.
Die Geometrie der Perforationen respektive Gitterstruktur, aber auch der Strukturierung kann beliebig gewählt werden, solange sie der Verbesserung der Kühlleistung respektive der Wärmeabfuhr zuträglich ist.

Claims

Elektronisches Leistungsmodul, umfassend wenigstens ein Halbleiterbauelement, das auf einem Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (2) zwischen zwei flächigen leitfähigen Trägern (4) angeordnet ist, die in einem von einem isolierenden Kühlmittel (6) durchströmbaren Gehäuse (5) aufgenommen sind und mit Kontaktabschnitten (8) aus dem Gehäuse (5) herausgeführt sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (4) mit dem Halbleiterbauelement (2) über jeweils eine Verbindungsschicht (3) oder Bondverbindungen kontaktiert sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (3) eine Lötschicht oder eine Sinterschicht ist.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (4) eine geschlossene Fläche bilden oder als Gitter oder mit Perforationen ausgeführt sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder beide Träger (4) an der Außenfläche strukturiert ist.
Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (10) in Form von länglichen, parallel verlaufenden Erhebungen ausgeführt ist.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (4) aus Kupfer oder Silber sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Steuerleitungen von außerhalb des Gehäuses (5) über die Träger (5) zu dem Halbleiterbauelement (2) geführt sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halbleiterbauelemente (2) zwischen den Trägern (4) angeordnet und mit diesen kontaktiert sind.
Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (5) Anschlusselemente zum Anschließen von das Kühlmittel führenden Leitungen vorgesehen sind.