DE102017101269A1 - Power semiconductor device with a power semiconductor module and a heat sink - Google Patents

Power semiconductor device with a power semiconductor module and a heat sink Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Kühlkörper, wobei das Leistungshalbleitermodul ein Leistungshalbleiterbauelement, das auf einer elektrisch leitenden Leiterbahn angeordnet ist, aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodul eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht und eine Kühlplatte aufweist, wobei die Isolationsschicht zwischen der Leiterbahn und der Kühlplatte angeordnet ist, wobei der Kühlkörper ein erstes Kühlgehäusebauteil, das eine durch das erste Kühlgehäusebauteil hindurchgehende Ausnehmung aufweist, und ein zweites Kühlgehäusebauteil aufweist, wobei die Kühlplatte in der Ausnehmung angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Kühlgehäusebauteil eine derartige Form aufweisen und derartig zueinander angeordnet sind, dass sich ein Hohlraum an einer dem Leistungshalbleiterbauelement abgewandten Seite der Kühlplatte ausbildet, wobei das zweite Kühlgehäusebauteil mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden ist, wobei die Kühlplatte mittels einer um die Kühlplatte umlaufenden ersten Klebeverbindung mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden ist, wobei die erste Klebeverbindung die Kühlplatte gegen das erste Kühlgehäusebauteil abdichtet.The invention relates to a power semiconductor device having a power semiconductor module and a heat sink through which a liquid can flow, wherein the power semiconductor module has a power semiconductor component which is arranged on an electrically conductive conductor track, wherein the power semiconductor module has an electrically nonconductive insulation layer and a cooling plate, wherein the insulation layer between the conductor track and the cooling plate is arranged, wherein the cooling body has a first cooling housing member having a recess passing through the first cooling housing member and a second cooling housing component, wherein the cooling plate is arranged in the recess, wherein the first and the second cooling housing component of such a shape have and are arranged to each other such that a cavity is formed on a side facing away from the power semiconductor device side of the cooling plate, wherein the second Küh The housing part is connected to the first cooling housing component, wherein the cooling plate is connected by means of a circulating around the cooling plate first adhesive connection with the first cooling housing component, wherein the first adhesive bond seals the cooling plate against the first cooling housing component.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung.The invention relates to a power semiconductor device.

Aus der DE 10 2013 109 589 B3 ist eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Kühlkörper bekannt. Das Leistungshalbleitermodul weist Leistungshalbleiterbauelemente, die auf elektrisch leitenden Leiterbahnen angeordnet sind, auf. Das Leistungshalbleitermodul weist eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht und eine Kühlplatte auf, wobei die Isolationsschicht zwischen den Leiterbahnen und der Kühlplatte angeordnet ist. Der Kühlkörper weist ein erstes Kühlgehäusebauteil, das eine durch das erste Kühlgehäusebauteil hindurchgehende Ausnehmung aufweist, und ein zweites Kühlgehäusebauteil aufweist, wobei die Kühlplatte in der Ausnehmung angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Kühlgehäusebauteil eine derartige Form aufweisen und derartig zueinander angeordnet sind, dass sich ein Hohlraum an der den Leistungshalbleiterbauelementen abgewandten Seite der Kühlplatte ausbildet. Die Kühlplatte ist mittels einer um die Kühlplatte umlaufenden ersten Schweißnaht mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden, wobei die erste Schweißnaht die Kühlplatte gegen das erste Kühlgehäusebauteil abdichtet. Das zweite Kühlgehäusebauteil ist mittels einer um das zweite Kühlgehäusebauteil umlaufenden zweiten Schweißnaht mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden ist, wobei die zweite Schweißnaht das zweite Kühlgehäusebauteil gegen das erste Kühlgehäusebauteil abdichtet.From the DE 10 2013 109 589 B3 is a power semiconductor device with a power semiconductor module and a liquid-flow-through heat sink known. The power semiconductor module has power semiconductor components which are arranged on electrically conductive conductor tracks. The power semiconductor module has an electrically nonconductive insulating layer and a cooling plate, wherein the insulating layer is arranged between the conductor tracks and the cooling plate. The heat sink has a first cooling housing component, which has a recess passing through the first cooling housing component, and a second cooling housing component, wherein the cooling plate is arranged in the recess, wherein the first and the second cooling housing component have such a shape and are arranged relative to each other a cavity is formed on the side facing away from the power semiconductor devices side of the cooling plate. The cooling plate is connected by means of a circumferential around the cooling plate first weld with the first cooling housing component, wherein the first weld seals the cooling plate against the first cooling housing component. The second cooling-housing component is connected to the first cooling-housing component by means of a second weld seam revolving around the second cooling-housing component, wherein the second weld seam seals the second cooling-housing component against the first cooling-housing component.

Nachteilig dabei ist, dass es durch den zu Herstellung der Schweißnähte notwendigen lokalen Wärmeeintrag zu einem mechanischen Verzug der miteinander zur verschweißenden Elemente kommen kann, was langfristig zu einer Undichtigkeit des Kühlkörpers führen kann.The disadvantage here is that it may come through the necessary to produce the welds local heat input to a mechanical distortion of each other to be welded elements, which can lead to long-term leakage of the heat sink.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Leistungshalbleitereinrichtung zu schaffen, bei der die im Betrieb mit einer Flüssigkeit in Kontakt stehenden Elemente der Leistungshalbleitereinrichtung zuverlässig miteinander flüssigkeitsdicht verbunden sind.The object of the invention is to create a power semiconductor device in which the elements of the power semiconductor device which are in contact with a liquid during operation are reliably connected to one another in a liquid-tight manner.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Kühlkörper, wobei das Leistungshalbleitermodul ein Leistungshalbleiterbauelement, das auf einer elektrisch leitenden Leiterbahn angeordnet ist, aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodul eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht und eine Kühlplatte aufweist, wobei die Isolationsschicht zwischen der Leiterbahn und der Kühlplatte angeordnet ist, wobei der Kühlkörper ein erstes Kühlgehäusebauteil, das eine durch das erste Kühlgehäusebauteil hindurchgehende Ausnehmung aufweist, und ein zweites Kühlgehäusebauteil aufweist, wobei die Kühlplatte in der Ausnehmung angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Kühlgehäusebauteil eine derartige Form aufweisen und derartig zueinander angeordnet sind, dass sich ein Hohlraum an einer dem Leistungshalbleiterbauelement abgewandten Seite der Kühlplatte ausbildet, wobei das zweite Kühlgehäusebauteil mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden ist, wobei die Kühlplatte mittels einer um die Kühlplatte umlaufenden ersten Klebeverbindung mit dem ersten Kühlgehäusebauteil verbunden ist, wobei die erste Klebeverbindung die Kühlplatte gegen das erste Kühlgehäusebauteil abdichtet.This object is achieved by a power semiconductor device comprising a power semiconductor module and a heat sink through which a liquid can flow, wherein the power semiconductor module has a power semiconductor component which is arranged on an electrically conductive conductor track, wherein the power semiconductor module has an electrically nonconductive insulation layer and a cooling plate, wherein the Insulation layer between the conductor track and the cooling plate is arranged, wherein the cooling body comprises a first cooling housing member having a recess passing through the first cooling housing member recess, and a second cooling housing member, wherein the cooling plate is disposed in the recess, wherein the first and the second cooling housing member a have such shape and are arranged to each other such that a cavity is formed on a side facing away from the power semiconductor device side of the cooling plate, wherein the z wide cooling housing member is connected to the first cooling housing member, wherein the cooling plate is connected by means of a circulating around the cooling plate first adhesive connection with the first cooling housing component, wherein the first adhesive bond seals the cooling plate against the first cooling housing component.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die erste Klebeverbindung Außenrandflächen der Kühlplatte mit die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils verbindet. Hierdurch wird eine zuverlässige Abdichtung der Kühlplatte mit dem ersten Kühlgehäusebauteil erzielt.It proves to be advantageous if the first adhesive connection connects outer edge surfaces of the cooling plate to the recess defining side surfaces of the first cooling housing component. As a result, a reliable sealing of the cooling plate is achieved with the first cooling housing component.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein erster Klebstoff, der die erste Klebeverbindung bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen der Kühlplatte und den die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils angeordneten ersten Spalt angeordnet ist. Durch den ersten Spalt bzw. durch den im ersten Spalt angeordneten Klebstoff, führen durch Wärmeschwankungen herrührende Änderungen der Abmessungen der Kühlplatte und des ersten Kühlgehäusebauteils, nur zu relativ geringen mechanischen Spannungen zwischen der Kühlplatte und dem ersten Kühlgehäusebauteil.Furthermore, it proves to be advantageous if a first adhesive, which causes the first adhesive bond, in a disposed between the outer edge surfaces of the cooling plate and the recess defining side surfaces of the first cooling housing member disposed first gap. Through the first gap or through the adhesive arranged in the first gap, variations in the dimensions of the cooling plate and the first cooling housing component resulting from thermal fluctuations only lead to relatively low mechanical stresses between the cooling plate and the first cooling housing component.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich der erste Spalt in Richtung auf den Hohlraum verjüngt, da dann der dem Leistungshalbleiterbauelement zugewandte obere wärmere Bereich der Kühlplatte mehr Raum zum Ausdehnen zur Verfügung hat, wie der dem Hohlraum zugewandte untere kühlere Bereich der Kühlplatte und die Breite des ersten Spalts somit einen hinsichtlich Wärmeausdehnung optimierten Verlauf aufweist.In this context, it proves to be advantageous if the first gap tapers in the direction of the cavity, since then the power semiconductor device facing upper warmer portion of the cooling plate has more space to expand available, as the cavity facing the lower cooler region of the cooling plate and the width of the first gap thus has a course optimized with respect to thermal expansion.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils zu einer an die Ausnehmung angrenzenden, um die Ausnehmung umlaufenden und dem Hohlraum zugewandten, ersten Fläche des ersten Kühlgehäusebauteils einen Winkel von 70° bis 89° aufweisen, da dann die Breite des ersten Spalts einen hinsichtlich Wärmeausdehnung sehr gut optimierten Verlauf aufweist.In this context, it proves to be advantageous if the recess defining the side surfaces of the first cooling housing component to an adjacent to the recess, surrounding the recess and facing the cavity, the first surface of the first cooling housing component an angle of 70 ° to 89 °, since then the width of the first gap has a very good thermal expansion optimized course.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Kühlgehäusebauteil ein über einem Randbereich der Ausnehmung angeordnetes Blockierungselement aufweist, das eine Bewegung der Kühlplatte in Richtung weg vom Hohlraum blockiert. Das Blockierungselement dient für die Kühlplatte als örtlich präzises unnachgiebiges Widerlager in Richtung weg vom Hohlraum, wenn eine im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung durch den Hohlraum strömende Flüssigkeit die Kühlplatte in Richtung weg vom Hohlraum drückt. Hierdurch wird im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung, eine Bewegung der Kühlplatte und damit des Leistungshalbleitermoduls in Richtung weg vom ersten Kühlgehäusebauteil, die z.B. zu einer mechanischen Belastung des Leistungshalbleitermoduls führen kann, zuverlässig vermieden. Furthermore, it proves to be advantageous if the first cooling housing component has a blocking element arranged above an edge region of the recess, which blocks a movement of the cooling plate in the direction away from the cavity. The blocking element serves as a locally precise, unyielding abutment for the cooling plate away from the cavity when a liquid flowing through the cavity during operation of the power semiconductor device pushes the cooling plate away from the cavity. As a result, during operation of the power semiconductor device, a movement of the cooling plate and thus of the power semiconductor module in the direction away from the first cooling housing component, which may, for example, lead to a mechanical load of the power semiconductor module, reliably avoided.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein erster Klebstoff, der die erste Klebeverbindung bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen der Kühlplatte und den die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils angeordneten ersten Spalt angeordnet ist, wobei die die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils zu einer an die Ausnehmung angrenzenden, um die Ausnehmung umlaufenden und dem Hohlraum zugewandten, ersten Fläche des ersten Kühlgehäusebauteils einen ersten Winkel von größer als 91° aufweisen und die Außenrandflächen der Kühlplatte zu einer an die Ausnehmung angrenzenden, dem Hohlraum zugewandten ersten Fläche der Kühlplatte einen zweiten Winkel aufweist, wobei der zweite Winkel größer ist als die Differenz von 180° und dem ersten Wickel. Hierdurch werden, wenn eine Flüssigkeit im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung durch den Hohlraum strömt und die Kühlplatte in Richtung weg vom Hohlraum drückt, die Außenrandflächen der Kühlplatte gegen den ersten Klebestoff gedrückt und der erste Klebestoff gegen die die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils gedrückt, wodurch die Dichtwirkung der ersten Klebeverbindung verstärkt wird.Furthermore, it proves to be advantageous if a first adhesive, which causes the first adhesive bond, in a disposed between the outer edge surfaces of the cooling plate and the recess defining side surfaces of the first cooling housing member first gap is arranged, wherein the recess defining side surfaces of the first cooling housing member to a first angle of greater than 91 °, which is adjacent to the recess, revolving around the recess and facing the cavity, and the outer edge surfaces of the cooling plate have a second surface adjacent to the recess facing the cavity; Angle, wherein the second angle is greater than the difference of 180 ° and the first winding. As a result, when a liquid flows through the cavity during operation of the power semiconductor device and presses the cooling plate away from the cavity, the outer edge surfaces of the cooling plate are pressed against the first adhesive and the first adhesive is pressed against the recess defining side surfaces of the first cooling housing component, whereby Sealing effect of the first adhesive joint is reinforced.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Außenrandflächen der Kühlplatte und/oder die die Ausnehmung begrenzenden Seitenflächen des ersten Kühlgehäusebauteils eine Riffelung, aufweisen. Hierdurch wird die mechanische Belastungsfähigkeit der ersten Klebeverbindung erhöht.Furthermore, it proves to be advantageous if the outer edge surfaces of the cooling plate and / or the side faces of the first cooling housing component bounding the recess have a corrugation. As a result, the mechanical load capacity of the first adhesive joint is increased.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite Kühlgehäusebauteil mit dem ersten Kühlgehäusebauteil mittels einer um das zweite Kühlgehäusebauteil umlaufenden zweiten Klebeverbindung verbunden ist, die das erste Kühlgehäusebauteil gegen das zweite Kühlgehäusebauteil abdichtet. Hierdurch wird eine zuverlässige Abdichtung des zweiten Kühlgehäusebauteils mit dem ersten Kühlgehäusebauteil erzielt.Furthermore, it proves to be advantageous if the second cooling-housing component is connected to the first cooling-housing component by means of a second adhesive connection circulating around the second cooling-housing component, which seals the first cooling-housing component against the second cooling-housing component. As a result, a reliable sealing of the second cooling housing component is achieved with the first cooling housing component.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die zweite Klebeverbindung Außenrandflächen des zweiten Kühlgehäusebauteils mit Innenrandflächen des ersten Kühlgehäusebauteils verbindet. Hierdurch wird eine sehr zuverlässige Abdichtung des zweiten Kühlgehäusebauteils mit dem ersten Kühlgehäusebauteil erzielt.In this context, it proves to be advantageous if the second adhesive connection connects outer edge surfaces of the second cooling housing component with inner edge surfaces of the first cooling housing component. As a result, a very reliable sealing of the second cooling housing component is achieved with the first cooling housing component.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein zweiter Klebstoff, der die zweite Klebeverbindung bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen des zweiten Kühlgehäusebauteils und den Innenrandflächen des ersten Kühlgehäusebauteils angeordneten zweiten Spalt angeordnet ist. Durch den zweiten Spalt bzw. durch den im zweiten Spalt angeordneten Klebstoff, führen durch Wärmeschwankungen herrührende Änderungen der Abmessungen des ersten und zweiten Kühlgehäusebauteils, nur zu relativ geringen mechanischen Spannungen zwischen dem ersten und zweiten Kühlgehäusebauteil.In this context, it proves to be advantageous if a second adhesive, which causes the second adhesive bond, is arranged in a second gap arranged between the outer edge surfaces of the second cooling housing component and the inner edge surfaces of the first cooling housing component. Through the second gap or through the adhesive arranged in the second gap, changes in the dimensions of the first and second cooling-jacket component resulting from thermal fluctuations lead only to relatively low mechanical stresses between the first and second cooling-jacket components.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn sich der zweite Spalt in Richtung weg vom Hohlraum verjüngt, da dann der dem Hohlraum zugewandte wärmere Bereich des zweiten Kühlgehäusebauteils mehr Raum zum Ausdehnen zur Verfügung hat, wie der dem Hohlraum abgewandte kühlere Außenbereich des zweiten Kühlgehäusebauteils und die Breite des zweiten Spalts somit einen hinsichtlich Wärmeausdehnung optimierten Verlauf aufweist.In this context, it proves to be advantageous if the second gap tapers in the direction away from the cavity, since then the cavity facing the warmer region of the second cooling housing component has more space to expand available, as the cavity facing away from the cooler outer region of the second cooling housing component and the width of the second gap thus has a course optimized with respect to thermal expansion.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Innenrandflächen des ersten Kühlgehäusebauteils zu einer an den zweiten Spalt angrenzenden, um das zweite Kühlgehäusebauteil umlaufenden Außenfläche des ersten Kühlgehäusebauteils einen Winkel von 70° bis 89° aufweisen, da dann die Breite des zweiten Spalts einen hinsichtlich Wärmeausdehnung sehr gut optimierten Verlauf aufweist.In this context, it proves to be advantageous if the inner edge surfaces of the first cooling housing component to an adjacent to the second gap surrounding the second cooling housing component outer surface of the first cooling housing component an angle of 70 ° to 89 °, since then the width of the second gap a with regard to thermal expansion has very well optimized course.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Außenrandflächen des zweiten Kühlgehäusebauteils und/oder die Innenrandflächen des ersten Kühlgehäusebauteils einer Riffelung, aufweisen. Hierdurch wird die mechanische Belastungsfähigkeit der zweiten Klebeverbindung erhöht.Furthermore, it proves to be advantageous if the outer edge surfaces of the second cooling housing component and / or the inner edge surfaces of the first cooling housing component of a corrugation having. As a result, the mechanical load capacity of the second adhesive joint is increased.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das erste Kühlgehäusebauteil eine an den Hohlraum angrenzende Blockierungsfläche aufweist, die eine Bewegung des zweiten Kühlgehäusebauteils in Richtung auf den Hohlraum blockiert. Hierdurch wird eine exakte Positionierung des zweiten Kühlgehäusebauteils in Richtung auf den Hohlraum erzielt. Furthermore, it proves to be advantageous if the first cooling housing component has a blocking surface adjacent to the cavity, which blocks a movement of the second cooling housing component in the direction of the cavity. As a result, an exact positioning of the second cooling housing component is achieved in the direction of the cavity.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kühlplatte in den Hohlraum hineinreichende Kühlplattenerhebungen aufweist. Hierdurch wird im Betrieb eine sehr gute Wärmeübertragung der Kühlplatte auf die den Kühlkörper durchströmende Flüssigkeit erzielt.Furthermore, it proves to be advantageous if the cooling plate has in the cavity extending into the cold plate elevations. As a result, a very good heat transfer of the cooling plate is achieved in the liquid flowing through the heat sink during operation.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die jeweilige Kühlplattenerhebung mittels einer jeweiligen dritten Klebeverbindung mit dem zweiten Kühlgehäusebauteil verbunden ist. Hierdurch wird eine durch den im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung im Hohlraum herrschenden Flüssigkeitsdruck erzeugte Aufwölbung der Kühlplatte in Richtung weg vom Hohlraum, die zu einer Beschädigung der Isolationsschicht (z.B. Keramikkörper) und/oder des Leistungshalbleiterbauelements führen kann, zuverlässig vermieden.In this context, it proves to be advantageous if the respective cooling plate elevation is connected by means of a respective third adhesive connection with the second cooling housing component. This reliably avoids bulging of the cooling plate in the direction away from the cavity, which may result in damage to the insulating layer (e.g., ceramic body) and / or the power semiconductor device due to the fluid pressure prevailing in the cavity during operation of the power semiconductor device.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das zweite Kühlgehäusebauteil hohlraumseitig Kühlgehäusebauteilvertiefungen aufweist, in die die Kühlplattenerhebungen hineinragen, wobei ein dritter Klebstoff, der die jeweilige dritte Klebeverbindung bewirkt, in einem zwischen der jeweiligen Kühlplattenerhebung und die jeweilige Kühlgehäusebauteilvertiefung begrenzenden jeweiligen Flächen des zweiten Kühlgehäusebauteils angeordnetem jeweiligen dritten Spalt angeordnet ist. Hierdurch wird eine mechanisch sehr belastbare Klebeverbindung der Kühlplatte mit dem zweiten Kühlgehäusebauteil erzielt.In this connection, it proves to be advantageous if the second cooling housing component has hollow housing component recesses on the cavity side into which the cooling plate protrusions project, wherein a third adhesive, which effects the respective third adhesive connection, in a respective surfaces of the second confining between the respective cooling plate elevation and the respective cooling housing component recess Cooling housing component arranged respective third gap is arranged. As a result, a mechanically very strong adhesive bond of the cooling plate is achieved with the second cooling housing component.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der jeweilige Klebstoff, d.h. der erste, zweite und/oder dritte Klebstoff, elastisch ist, da dann durch den jeweiligen Klebstoff Wärmeausdehnungen der miteinander mittels des jeweiligen Klebstoffs miteinander verbunden Elemente, besonders gut ausgeglichen werden können.Furthermore, it proves to be advantageous if the respective adhesive, i. the first, second and / or third adhesive, is elastic, since then by the respective adhesive thermal expansions of the interconnected by means of the respective adhesive elements, can be compensated particularly well.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung,
  • 2 eine Detailansicht von 1,
  • 3 eine Detailansicht von 1 bezüglich einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung,
  • 4 eine Detailansicht von 1,
  • 5 eine Detailansicht von 1 und
  • 6 eine perspektivische Ansicht der Leistungshalbleitereinrichtung in einem Zustand bei dem die zu verbindenden Elemente der Leistungshalbleitereinrichtung noch nicht miteinander verbunden sind.
Embodiments of the invention will be explained below with reference to the figures below. Showing:
  • 1 a sectional view of a power semiconductor device according to the invention,
  • 2 a detailed view of 1 .
  • 3 a detailed view of 1 with regard to an embodiment variant of the power semiconductor device according to the invention,
  • 4 a detailed view of 1 .
  • 5 a detailed view of 1 and
  • 6 a perspective view of the power semiconductor device in a state in which the elements to be connected to the power semiconductor device are not yet connected.

Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.

In 1 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 und in 2, 4 und 5 sind Detailansichten von 1 dargestellt. In 3 ist eine Detailansicht von 1 bezüglich einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Leistungshalbleitereinrichtung 1 dargestellt.In 1 is a sectional view of a power semiconductor device according to the invention 1 and in 2 . 4 and 5 are detailed views of 1 shown. In 3 is a detail view of 1 with respect to an embodiment of the power semiconductor device according to the invention 1 shown.

Die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung 1 weist mindestens ein Leistungshalbleitermodul 3 auf, wobei die erfindungsgemäße Leistungshalbleitereinrichtung eine Vielzahl von Leistungshalbleitermodulen 3 aufweisen kann und beim Ausführungsbeispiel drei Leistungshalbleitermodule 3 aufweist. Das jeweilige Leistungshalbleitermodul 3 weist ein einzelnes oder wie beim Ausführungsbeispiel mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 9 auf, die auf elektrischen leitenden Leiterbahnen 13 angeordnet sind. Die Leistungshalbleiterbauelemente 9 sind dabei mit den Leiterbahnen 13, vorzugsweise über eine zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 9 und den Leiterbahnen 13 angeordnete Löt- oder Sintermetallschicht, elektrisch leitend verbunden. Die Leiterbahnen 13 werden durch eine elektrisch leitende strukturierte erste Leitungsschicht ausgebildet. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement liegt vorzugweise in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei vorzusgweise in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vor.The power semiconductor device according to the invention 1 has at least one power semiconductor module 3 on, wherein the power semiconductor device according to the invention a plurality of power semiconductor modules 3 and in the embodiment three power semiconductor modules 3 having. The respective power semiconductor module 3 has a single or as in the embodiment, multiple power semiconductor devices 9 on, on electrical conductive traces 13 are arranged. The power semiconductor components 9 are there with the tracks 13 , preferably via one between the power semiconductor components 9 and the tracks 13 arranged solder or sintered metal layer, electrically conductively connected. The tracks 13 are formed by an electrically conductive structured first conductor layer. The respective power semiconductor component is preferably in the form of a power semiconductor switch or a diode. The power semiconductor switches are vorzusgweise in the form of transistors, such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) before.

Weiterhin weist das jeweilige Leistungshalbleitermodul 3 eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 6 und eine Kühlplatte 5 auf, wobei die Isolationsschicht 6 zwischen den Leiterbahnen 13 und der Kühlplatte 5 angeordnet ist. Die Leiterbahnen 13 sind mit der Isolationsschicht 6 verbunden. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist zwischen der Isolationsschicht 6 und der Kühlplatte 5 eine elektrisch leitende vorzugweise unstrukturierte zweite Leitungsschicht 8 angeordnet, die mit der Isolationsschicht 6 verbunden ist. Die Isolationsschicht 6 liegt vorzugsweise in Form eines Keramikkörpers vor. Die erste und zweite Leitungsschicht und die Isolationsschicht 6 werden zusammen vorzugsweise durch ein Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat) ausgebildet.Furthermore, the respective power semiconductor module has 3 an electrically non-conductive insulation layer 6 and a cooling plate 5 on, with the insulation layer 6 between the tracks 13 and the cooling plate 5 is arranged. The tracks 13 are with the insulation layer 6 connected. In the context of the embodiment is between the insulation layer 6 and the cooling plate 5 an electrically conductive, preferably unstructured second conductive layer 8th arranged with the insulation layer 6 connected is. The insulation layer 6 is preferably in the form of a ceramic body. The first and second conductor layer and the insulation layer 6 are preferably formed together by a direct copper bonded substrate (DCB substrate).

Die Kühlplatte 5 kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Die Kühlplatte 5 besteht aus einem oder mehreren Metallen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Kühlplatte 5 eine erste Teilkühlplatte 5' und eine auf der ersten Teilkühlplatte 5' angeordnete und mit der ersten Teilkühlplatte 5' stoffschlüssig, z.B. mittels einer Sinter- oder Lötverbindung, verbundene zweite Teilkühlplatte 5" auf. Die erste Teilkühlplatte 5' besteht vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die zweite Teilkühlplatte 5' besteht vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die jeweilige Teilkühlplatte kann mit einer einzelnen oder mehreren übereinanderliegende Schichten, insbesondere Metallschichten (z.B. Silber) beschichtet sein. Die zweite Leitungsschicht 8 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels über eine Löt- oder Sintermetallschicht mit der Kühlplatte 5 verbunden. Die Kühlplatte 5 weist eine der Isolationsschicht 6 zugewandte Hauptfläche 33 auf.The cooling plate 5 can be formed in one piece or several pieces. The cooling plate 5 consists of one or more metals. In the context of the embodiment, the cooling plate 5 a first partial cooling plate 5 ' and one disposed on the first partial cooling plate 5 'and with the first partial cooling plate 5 ' cohesively, for example by means of a sintered or soldered joint, connected second partial cooling plate 5 ' on. The first partial cooling plate 5 ' preferably consists at least substantially of aluminum or an aluminum alloy. The second partial cooling plate 5 ' preferably consists at least substantially of copper or a copper alloy. The respective partial cooling plate can be coated with a single or several superimposed layers, in particular metal layers (eg silver). The second conductive layer 8th is in the context of the embodiment of a solder or sintered metal layer with the cooling plate 5 connected. The cooling plate 5 has one of the insulation layers 6 facing main surface 33 on.

Der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren die Löt- oder Sintermetallschichten nicht dargestellt. Weiterhin sei angemerkt, dass die Dicke der Schichten und die Dicke der Leistungshalbleiterbauelemente nicht maßstabsgerecht dargestellt sind.For the sake of clarity, the soldering or sintered metal layers are not shown in the figures. It should also be noted that the thickness of the layers and the thickness of the power semiconductor components are not shown to scale.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Kühlplatte 5 auch in Form eines Metallkörpers, insbesondere eines Aluminiumkörpers, eines Insulated Metal Substrats (IMS) vorliegen kann.It should be noted at this point that the cooling plate 5 may also be in the form of a metal body, in particular an aluminum body, an Insulated Metal substrate (IMS).

Weiterhin weist die Leistungshalbleitereinrichtung 1 einen von einer Flüssigkeit durchströmbaren Kühlkörper 2 auf, der ein erstes Kühlgehäusebauteil 4 und ein zweites Kühlgehäusebauteil 7 aufweist. Das erste und zweite Kühlgehäusebauteil 4 und 7 bestehen vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Das erste Kühlgehäusebauteil 4 weist für das jeweilige Leistungshalbleitermodul 3 eine durch das erste Kühlgehäusebauteil 4 hindurchgehende jeweilige Ausnehmung 25 auf, wobei die Kühlplatte 5 des jeweiligen Leistungshalbleitermoduls 3 in der jeweiligen Ausnehmung 25 angeordnet ist. Ein Teil der jeweiligen Kühlplatte 5 kann dabei aus der jeweiligen Ausnehmung 25 herausragen. Die jeweilige Kühlplatte 5 verschließt die jeweilige Ausnehmung 25. Das erste und das zweite Kühlgehäusebauteil 4 und 7 weisen eine derartige Form auf und sind derartig zueinander angeordnet, dass sich ein Hohlraum 18 an der den Leistungshalbleiterbauelementen 9 abgewandten Seite D der Kühlplatte 5 ausbildet. Das zweite Kühlgehäusebauteil 7 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels in einer Öffnung 50 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 angeordnet. Ein Teil des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 kann dabei aus der Öffnung 50 herausragen. Das zweite Kühlgehäusebauteil 7 ist mit dem ersten Kühlgehäusebauteil 4 verbunden. Die Flüssigkeit (z.B. Wasser) durchströmt den Kühlkörper 2, indem sie den Hohlraum 18 durchströmt. Die Wärme der Kühlplatte 5, welche von den Leistungshalbleiterbauelementen 9 erzeugt wird, wird auf die Flüssigkeit übertragen und von der Flüssigkeit abtransportiert.Furthermore, the power semiconductor device 1 a flow-through by a liquid heat sink 2 on, the first cooling housing component 4 and a second cooling housing component 7 having. The first and second cooling housing components 4 and 7 are preferably made of aluminum or an aluminum alloy. The first cooling housing component 4 indicates for the respective power semiconductor module 3 one through the first cooling housing component 4 passing respective recess 25 on, with the cooling plate 5 of the respective power semiconductor module 3 in the respective recess 25 is arranged. Part of the respective cooling plate 5 can from the respective recess 25 protrude. The respective cooling plate 5 closes the respective recess 25 , The first and second cooling housing components 4 and 7 have such a shape and are arranged in such a way that a cavity 18 at the power semiconductor devices 9 opposite side D of the cooling plate 5 formed. The second cooling housing component 7 is in the context of the embodiment in an opening 50 the first cooling housing component 4 arranged. Part of the second cooling housing component 7 can do it from the opening 50 protrude. The second cooling housing component 7 is with the first cooling housing component 4 connected. The liquid (eg water) flows through the heat sink 2 by removing the cavity 18 flows through. The heat of the cooling plate 5 , which of the power semiconductor devices 9 is generated, is transferred to the liquid and transported away from the liquid.

Im Folgenden wird die Anordnung der Leistungshalbleitermodule 3 und die Verbindung der Leistungshalbleitermodule 3 mit dem ersten Kühlgehäusebauteil 4 anhand eines der Leistungshalbleitermodule 3 beschrieben, wobei die anderen Leistungshalbleitermodule 3 in analoger Weise angeordnet und mit dem ersten Kühlgehäusebauteil 4 verbunden sind.The following is the arrangement of the power semiconductor modules 3 and the connection of the power semiconductor modules 3 with the first cooling housing component 4 using one of the power semiconductor modules 3 described, wherein the other power semiconductor modules 3 arranged in an analogous manner and with the first cooling housing component 4 are connected.

Die Kühlplatte 5 des Leistungshalbleitermoduls 3 ist mittels einer um die Kühlplatte 5 umlaufenden ersten Klebeverbindung 17 mit dem ersten Kühlgehäusebauteil 4 verbunden, wobei die erste Klebeverbindung 17 die Kühlplatte 5 gegen das erste Kühlgehäusebauteil 4 abdichtet (siehe 1, 2 und 3). Die erste Klebeverbindung 17 verläuft geschlossen umlaufend um die Kühlplatte 5.The cooling plate 5 of the power semiconductor module 3 is by means of a to the cooling plate 5 circumferential first adhesive bond 17 with the first cooling housing component 4 connected, wherein the first adhesive bond 17 the cooling plate 5 against the first cooling housing component 4 seals (see 1 . 2 and 3 ). The first adhesive bond 17 runs closed around the cooling plate 5 ,

Die erste Klebeverbindung 17 verbindet vorzugsweise die Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 mit die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4. Die die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 sind den Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 zugewandt angeordnet.The first adhesive bond 17 preferably connects the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 with the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 , The the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 are the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 arranged facing.

Ein erster Klebstoff 17', der die erste Klebeverbindung 17 bewirkt, ist, wie beispielhaft in 1, 2 und 3 dargestellt, in einem zwischen den Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 und den die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 angeordneten ersten Spalt 50 angeordnet. Der erste Spalt 50 ist vorzugsweise geschlossen umlaufend um die Kühlplatte 5 angeordnet. Der erste Spalt 50 verjüngt sich, wie beispielhaft in 1 und 2 dargestellt, vorzugsweise in Richtung auf den Hohlraum 18. Die die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 weisen vorzugsweise zu einer an die Ausnehmung 25 angrenzenden, um die Ausnehmung 25 umlaufenden und dem Hohlraum 18 zugewandten, ersten Fläche 29 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 einen Winkel α von 70° bis 89°, insbesondere von 75° bis 85°, auf. Die Normalenrichtung N" der ersten Fläche 29 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 stimmt mit der Normalenrichtung N der Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 überein. Die Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 verbinden die Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 mit einer an die Ausnehmung 25 angrenzenden, dem Hohlraum 18 zugewandten ersten Fläche 36 der Kühlplatte 5. Die Normalenrichtung N' der ersten Fläche 36 der Kühlplatte 5 stimmt mit der Normalenrichtung N der Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 überein. Das erste Kühlgehäusebauteil 4 kann ein über einem Randbereich 40 der Ausnehmung 15 angeordnetes Blockierungselement 51 aufweisen, das eine Bewegung der Kühlplatte 5 in Richtung weg vom Hohlraum 18 blockiert. Das Blockierungselement 51 dient für die Kühlplatte 5 als örtlich präzises unnachgiebiges Widerlager in Richtung weg vom Hohlraum 18, wenn die Flüssigkeit, die im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 durch den Hohlraum 18 strömt, die Kühlplatte 5 in Richtung weg vom Hohlraum 18 drückt. Hierdurch wird im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1, eine Bewegung der Kühlplatte 5 und damit des Leistungshalbleitermoduls 3 in Richtung weg vom ersten Kühlgehäusebauteil 4, die z.B. zu einer mechanischen Belastung des Leistungshalbleitermoduls 3 führen kann, zuverlässig vermieden.A first glue 17 ' , the first adhesive bond 17 is, as exemplified in 1 . 2 and 3 shown in one between the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 and the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 arranged first gap 50 arranged. The first gap 50 is preferably closed around the cooling plate 5 arranged. The first gap 50 rejuvenates, as exemplified in 1 and 2 represented, preferably in the direction of the cavity 18 , The the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 preferably have one to the recess 25 adjacent to the recess 25 circumferential and the cavity 18 facing, first surface 29 the first cooling housing component 4 an angle α of 70 ° to 89 °, in particular from 75 ° to 85 °, on. The normal direction N "of the first surface 29 the first cooling housing component 4 agrees with the normal direction N of the main surface 33 the cooling plate 5 match. The outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 connect the main surface 33 the cooling plate 5 with a to the recess 25 adjacent to the cavity 18 facing first surface 36 the cooling plate 5 , The normal direction N 'of the first surface 36 the cooling plate 5 agrees with the normal direction N of the main surface 33 the cooling plate 5 match. The first cooling housing component 4 can be over a border area 40 the recess 15 arranged blocking element 51 exhibit that a movement of the cooling plate 5 towards the cavity 18 blocked. The blocking element 51 serves for the cooling plate 5 as a locally precise unyielding abutment towards the cavity 18 when the liquid is in operation of the power semiconductor device 1 by the cavity 18 flows, the cooling plate 5 towards the cavity 18 suppressed. As a result, during operation of the power semiconductor device 1 , a movement of the cooling plate 5 and thus the power semiconductor module 3 towards the first cooling housing component 4 , for example, to a mechanical load of the power semiconductor module 3 can lead reliably avoided.

Die die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 können auch, wie beispielhaft in 3 dargestellt, zu der an die Ausnehmung 25 angrenzenden, um die Ausnehmung 25 umlaufenden und dem Hohlraum 18 zugewandten, ersten Fläche 29 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 einen ersten Winkel α von größer als 91° aufweisen, wobei die Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 zu der an die Ausnehmung 25 angrenzenden, dem Hohlraum 18 zugewandten ersten Fläche 36 der Kühlplatte 5 einen zweiten Winkel γ aufweist, der größer ist als die Differenz von 180° und dem ersten Wickel α, d.h. größer ist als 180° - α. Der erste Spalt 50 verjüngt sich in diesem Fall in Richtung weg vom Hohlraum 18. Ansonsten stimmt die in 3 dargestellte Ausführungsvariante mit der übrigen Ausführung der Erfindung überein. Die in 3 dargestellte Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass wenn die Flüssigkeit, die im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 durch den Hohlraum 18 strömt, die Kühlplatte 5 in Richtung weg vom Hohlraum 18 drückt, die Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 gegen den ersten Klebestoff 17' drücken und den ersten Klebestoff 17' gegen die die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 drücken, wodurch die Dichtwirkung der ersten Klebeverbindung 17 verstärkt wird.The the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 can also, as exemplified in 3 shown to the recess 25 adjacent to the recess 25 circumferential and the cavity 18 facing, first surface 29 the first cooling housing component 4 have a first angle α greater than 91 °, wherein the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 to the at the recess 25 adjacent to the cavity 18 facing first surface 36 the cooling plate 5 has a second angle γ, which is greater than the difference of 180 ° and the first roll α, that is greater than 180 ° - α. The first gap 50 In this case, it tapers towards the cavity 18 , Otherwise, the in 3 illustrated embodiment with the remaining embodiment of the invention. In the 3 illustrated embodiment has the advantage that when the liquid in the operation of the power semiconductor device 1 through the cavity 18 flows, the cooling plate 5 towards the cavity 18 pushes, the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 against the first glue 17 ' press and the first glue 17 ' against the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 Press, causing the sealing effect of the first adhesive bond 17 is reinforced.

Das zweite Kühlgehäusebauteil 7 ist vorzugsweise, wie beispielhaft in 1 und 4 dargestellt, mit dem ersten Kühlgehäusebauteil 4 mittels einer um das zweite Kühlgehäusebauteil 7 umlaufenden zweiten Klebeverbindung 22 verbunden, die das erste Kühlgehäusebauteil 4 gegen das zweite Kühlgehäusebauteil 7 abdichtet. Die zweite Klebeverbindung 22 verläuft geschlossen umlaufend um das zweite Kühlgehäusebauteil 7. Die zweite Klebeverbindung 22 verbindet vorzugsweise Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 mit Innenrandflächen 21 des ersten Kühlgehäusebauteils 4. Ein zweiter Klebstoff 22', der die zweite Klebeverbindung 22 bewirkt, ist vorzugsweise in einem zwischen den Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 und den Innenrandflächen 21 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 angeordneten zweiten Spalt 52 angeordnet. Der zweite Spalt 52 ist vorzugsweise geschlossen umlaufend um das zweite Kühlgehäusebauteil 7 angeordnet. Die Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 verbinden eine dem Hohlraum 18 zugewandte erste Hauptfläche 34 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 mit einer dem Hohlraum 18 abgewandten zweiten Hauptfläche 35 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7. Die Innenrandflächen 21 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 sind den Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 zugewandt angeordnet. Der zweite Spalt 52 verjüngt sich vorzugsweise in Richtung weg vom Hohlraum 18. Die Innenrandflächen 21 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 weisen dabei vorzugsweise zu einer an den zweiten Spalt 52 angrenzenden, um das zweite Kühlgehäusebauteil 7 umlaufenden Außenfläche 30 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 einen Winkel β von 70° bis 89°,insbesondere von 75° bis 85°, auf. Die Normalenrichtung N'" der Außenfläche 30 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 stimmt mit der Normalenrichtung N der Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 überein. Die Außenfläche 30 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 ist der Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 abgewandt angeordnet. Die Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 und/oder die Innenrandflächen 21 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 weisen vorzugsweise eine Riffelung 53 auf, wobei beim Ausführungsbeispiel nur die Außenrandflächen 20 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 eine Riffelung 53 aufweist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass in analoger Weise die Außenrandflächen 15 der Kühlplatte 5 und/oder die Ausnehmung 25 begrenzenden Seitenflächen 16 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 eine Riffelung aufweisen können, was in den Figuren nicht dargestellt ist. Das erste Kühlgehäusebauteil 4 weist vorzugsweise eine an den Hohlraum 18 angrenzende Blockierungsfläche 31 auf, die eine Bewegung des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 in Richtung auf den Hohlraum 18 blockiert. Die Normalenrichtung N"" der Blockierungsfläche 31 des ersten Kühlgehäusebauteils 4 stimmt mit der Normalenrichtung N der Hauptfläche 33 der Kühlplatte 5 überein.The second cooling housing component 7 is preferably as exemplified in 1 and 4 shown with the first cooling housing component 4 by means of a component around the second cooling housing 7 circumferential second adhesive bond 22 connected to the first cooling housing component 4 against the second cooling housing component 7 seals. The second adhesive bond 22 runs closed around the second cooling housing component 7 , The second adhesive bond 22 preferably connects outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 with inner edge surfaces 21 the first cooling housing component 4 , A second glue 22 ' who made the second adhesive bond 22 is preferably in one between the outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 and the inner peripheral surfaces 21 of the first cooling housing component 4 arranged second gap 52 arranged. The second gap 52 is preferably closed circumferentially around the second cooling housing component 7 arranged. The outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 connect one to the cavity 18 facing first major surface 34 the second cooling housing component 7 with a cavity 18 remote second major surface 35 the second cooling housing component 7 , The inner edge surfaces 21 the first cooling housing component 4 are the outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 arranged facing. The second gap 52 preferably tapers in the direction away from the cavity 18 , The inner edge surfaces 21 of the first cooling housing component 4 In this case, they preferably have one to the second gap 52 adjacent to the second cooling housing component 7 circumferential outer surface 30 the first cooling housing component 4 an angle β of 70 ° to 89 °, in particular from 75 ° to 85 °, on. The normal direction N '"of the outer surface 30 the first cooling housing component 4 agrees with the normal direction N of the main surface 33 of the cooling plate 5 match. The outer surface 30 the first cooling housing component 4 is the main surface 33 the cooling plate 5 arranged away. The outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 and / or the inner edge surfaces 21 the first cooling housing component 4 preferably have a corrugation 53 on, wherein in the embodiment, only the outer edge surfaces 20 the second cooling housing component 7 a corrugation 53 having. It should be noted at this point that in an analogous manner, the outer edge surfaces 15 the cooling plate 5 and / or the recess 25 limiting side surfaces 16 the first cooling housing component 4 may have a corrugation, which is not shown in the figures. The first cooling housing component 4 preferably has one to the cavity 18 adjacent blocking area 31 on, which is a movement of the second cooling housing component 7 towards the cavity 18 blocked. The normal direction N "" of the blocking surface 31 the first cooling housing component 4 agrees with the normal direction N of the main surface 33 the cooling plate 5 match.

Die Kühlplatte 5, insbesondere die erste Teilkühlplatte 5', weist vorzugsweise, wie beispielhaft in 1 und 5 dargestellt, in den Hohlraum 18 hineinreichende Kühlplattenerhebungen 32 auf. Die Kühlplattenerhebungen 32 liegen vorzugsweise in Form von Kühlpins und/oder Kühlfinnen vor. Die jeweilige Kühlplattenerhebung 32 ist vorzugsweise mittels einer jeweiligen dritten Klebeverbindung 23 mit dem zweiten Kühlgehäusebauteil 7 verbunden. Hierdurch wird eine durch den im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 im Hohlraum 18 herrschenden Flüssigkeitsdruck erzeugte Aufwölbung der Kühlplatte 5 in Richtung weg vom Hohlraum 18, die zu einer Beschädigung der Isolationsschicht 6 (z.B. Keramikkörper) und/oder des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 9 führen kann, zuverlässig vermieden. Das zweite Kühlgehäusebauteil 7 weist vorzugsweise hohlraumseitig Kühlgehäusebauteilvertiefungen 41 auf (siehe auch 6), in die die Kühlplattenerhebung 32 hineinragen, wobei ein dritter Klebstoff 23', der die jeweilige dritte Klebeverbindung 23 bewirkt, in einem zwischen der jeweiligen Kühlplattenerhebung 32 und die jeweilige Kühlgehäusebauteilvertiefung 41 begrenzenden jeweiligen Flächen 55 des zweiten Kühlgehäusebauteils 7 angeordnetem jeweiligen dritten Spalt 54 angeordnet ist.The cooling plate 5 , in particular the first partial cooling plate 5 ' Preferably, as shown by way of example in FIG 1 and 5 shown in the cavity 18 Sufficient cooling plate elevations 32 on. The cooling plate elevations 32 are preferably in the form of cooling pins and / or cooling fins. The respective cooling plate elevation 32 is preferably by means of a respective third adhesive bond 23 with the second cooling housing component 7 connected. As a result, a by the in operation of the power semiconductor device 1 in the cavity 18 prevailing fluid pressure generated bulge of the cooling plate 5 towards the cavity 18 that damage the insulation layer 6 (eg ceramic body) and / or the respective power semiconductor component 9 can lead reliably avoided. The second cooling housing component 7 preferably has cavity side cooling chamber component recesses 41 on (see also 6 ) into which the cooling plate elevation 32 protrude, with a third adhesive 23 ' that the respective third adhesive bond 23 causes, in one between the respective Cooling plate collection 32 and the respective cooling housing component recess 41 limiting respective areas 55 the second cooling housing component 7 arranged respective third gap 54 is arranged.

Der jeweilige erste, zweite und/oder dritte Klebstoff 17', 22', 23' ist vorzugsweise elastisch. Der erste, zweite und dritte Klebstoff 17', 22' und 23' sind vorzugsweise identisch. Als jeweiliger Klebstoff eignen sich z.B. Epoxidkleber, Epoxidharzkleber, säureanhydride und aminische Klebstoffe, mCD-Klebstoffe, härtende Acrylate und kationische Klebstoffe. Im jeweiligen Klebstoff können auch, z.B. zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der jeweiligen Klebeverbindung, Metallpartikel, insbesondere Aluminiumpartikel, angeordnet sein sein.The respective first, second and / or third adhesive 17 ' . 22 ' . 23 ' is preferably elastic. The first, second and third adhesive 17 ' . 22 ' and 23 ' are preferably identical. Examples of suitable adhesives are epoxy adhesives, epoxy resin adhesives, acid anhydrides and amine adhesives, mCD adhesives, curing acrylates and cationic adhesives. In the respective adhesive can also be, for example, to increase the thermal conductivity of the respective adhesive bond, metal particles, in particular aluminum particles, be arranged.

Durch die Verwendung einer Klebeverbindung anstatt einer Schweißverbindung können die jeweilig zu verbinden Elemente (Kühlplatte, erstes Kühlgehäusebauteil, zweites Kühlgehäusebauteil) ohne lokalen Wärmeeintrag miteinander flüssigkeitsdicht verbunden werden. Ein zu Herstellung der Schweißnähte notwendiger lokaler Wärmeeintrag, der zu einem mechanischen Verzug der miteinander zur verschweißenden Elemente führen kann, was langfristig zu einer Undichtigkeit des Kühlkörpers führen kann, wird somit vermieden. Weiterhin weist ein Klebstoff, insbesondere ein elastischer Klebstoff, eine höhere Elastizität als eine Schweißnaht auf, so dass im Betrieb der Leistungshalbleitereinrichtung 1 auftretende Wärmeschwankungen, die zu Änderungen der Abmessungen der miteinander verbundenen Elemente führen, nur zu relativ geringen mechanischen Spannungen zwischen den Elementen führen. Hierdurch wird die Lebensdauer der Leistungshalbleitereinrichtung 1 vergrößert.By using an adhesive bond instead of a welded connection, the respective elements to be connected (cooling plate, first cooling housing component, second cooling housing component) can be connected to one another in a liquid-tight manner without local heat input. A local heat input necessary for producing the weld seams, which can lead to a mechanical distortion of the elements to be welded to one another, which in the long term can lead to a leakage of the heat sink, is thus avoided. Furthermore, an adhesive, in particular an elastic adhesive, a higher elasticity than a weld, so that in operation of the power semiconductor device 1 occurring heat fluctuations, which lead to changes in the dimensions of the interconnected elements, only lead to relatively low mechanical stresses between the elements. As a result, the life of the power semiconductor device 1 increased.

Der Kühlkörper 2, insbesondere das erstes Kühlgehäusebauteil 4, weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine Flüssigkeitseintrittsöffnung 60 und eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung 61 auf (siehe 6) , die mit dem jeweiligen Hohlraum 18 flüssigkeitsströmungstechnisch verbunden sind.The heat sink 2 , in particular the first cooling housing component 4 , Has in the context of the embodiment, a liquid inlet opening 60 and a liquid outlet opening 61 on (see 6 ), with the respective cavity 18 Fluid flow technically connected.

Es sei angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können.It should be noted that, of course, features of various embodiments of the invention, as long as the features are not mutually exclusive, can be arbitrarily combined with each other.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013109589 B3 [0002]DE 102013109589 B3 [0002]

Claims (19)

Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul (3) und einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Kühlkörper (2), wobei das Leistungshalbleitermodul (3) ein Leistungshalbleiterbauelement (9), das auf einer elektrisch leitenden Leiterbahn (13) angeordnet ist, aufweist, wobei das Leistungshalbleitermodul (3) eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht (6) und eine Kühlplatte (5) aufweist, wobei die Isolationsschicht (6) zwischen der Leiterbahn (9) und der Kühlplatte (5) angeordnet ist, wobei der Kühlkörper (2) ein erstes Kühlgehäusebauteil (4), das eine durch das erste Kühlgehäusebauteil (4) hindurchgehende Ausnehmung (25) aufweist, und ein zweites Kühlgehäusebauteil (7) aufweist, wobei die Kühlplatte (5) in der Ausnehmung (25) angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Kühlgehäusebauteil (4,7) eine derartige Form aufweisen und derartig zueinander angeordnet sind, dass sich ein Hohlraum (18) an einer dem Leistungshalbleiterbauelement (9) abgewandten Seite (D) der Kühlplatte (5) ausbildet, wobei das zweite Kühlgehäusebauteil (7) mit dem ersten Kühlgehäusebauteil (4) verbunden ist, wobei die Kühlplatte (5) mittels einer um die Kühlplatte (5) umlaufenden ersten Klebeverbindung (17) mit dem ersten Kühlgehäusebauteil (4) verbunden ist, wobei die erste Klebeverbindung (17) die Kühlplatte (5) gegen das erste Kühlgehäusebauteil (4) abdichtet.Power semiconductor device comprising a power semiconductor module (3) and a heat sink permeable by a liquid body (2), wherein the power semiconductor module (3) comprises a power semiconductor device (9) which is arranged on an electrically conductive conductor track (13), wherein the power semiconductor module (3) an electrically non-conductive insulating layer (6) and a cooling plate (5), wherein the insulating layer (6) between the conductor track (9) and the cooling plate (5) is arranged, wherein the cooling body (2) a first cooling housing component (4), which has a recess (25) passing through the first cooling housing component (4) and a second cooling housing component (7), wherein the cooling plate (5) is arranged in the recess (25), wherein the first and the second cooling housing components (4, 7) have such a shape and are arranged to each other such that a cavity (18) on a the power semiconductor component (9) abge formed facing side (D) of the cooling plate (5), wherein the second cooling housing member (7) with the first cooling housing component (4) is connected, wherein the cooling plate (5) by means of a cooling plate (5) circumferential first adhesive joint (17) the first cooling housing component (4) is connected, wherein the first adhesive connection (17) seals the cooling plate (5) against the first cooling housing component (4). Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klebeverbindung (17) Außenrandflächen (15) der Kühlplatte (5) mit die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) verbindet.Power semiconductor device according to Claim 1 , characterized in that the first adhesive joint (17) outer edge surfaces (15) of the cooling plate (5) with the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) connects. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Klebstoff (17'), der die erste Klebeverbindung (17) bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen (15) der Kühlplatte (5) und den die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) angeordneten ersten Spalt (50) angeordnet ist.Power semiconductor device according to Claim 2 , characterized in that a first adhesive (17 '), which causes the first adhesive bond (17) in a between the outer edge surfaces (15) of the cooling plate (5) and the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) arranged first gap (50) is arranged. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Spalt (50) in Richtung auf den Hohlraum (18) verjüngt.Power semiconductor device according to Claim 3 , characterized in that the first gap (50) tapers in the direction of the cavity (18). Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) zu einer an die Ausnehmung (25) angrenzenden, um die Ausnehmung (25) umlaufenden und dem Hohlraum (18) zugewandten, ersten Fläche (29) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) einen Winkel (a) von 70° bis 89° aufweisen.Power semiconductor device according to Claim 4 , characterized in that the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) to one of the recess (25) adjacent to the recess (25) encircling and the cavity (18) facing first surface ( 29) of the first cooling housing component (4) have an angle (a) of 70 ° to 89 °. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlgehäusebauteil (4) ein über einem Randbereich (40) der Ausnehmung (15) angeordnetes Blockierungselement (51) aufweist, das eine Bewegung der Kühlplatte (5) in Richtung weg vom Hohlraum (18) blockiert.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the first cooling housing component (4) has a blocking element (51) arranged above an edge region (40) of the recess (15), which movement of the cooling plate (5) away from the cavity (5). 18) blocked. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Klebstoff (17'), der die erste Klebeverbindung (17) bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen (15) der Kühlplatte (5) und den die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) angeordneten ersten Spalt (50) angeordnet ist, wobei die die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) zu einer an die Ausnehmung (25) angrenzenden, um die Ausnehmung (25) umlaufenden und dem Hohlraum (18) zugewandten, ersten Fläche (29) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) einen ersten Winkel (a) von größer als 91° aufweisen und die Außenrandflächen (15) der Kühlplatte (5) zu einer an die Ausnehmung (25) angrenzenden, dem Hohlraum zugewandten ersten Fläche (36) der Kühlplatte (5) einen zweiten Winkel (γ) aufweist, wobei der zweite Winkel (γ) größer ist als die Differenz von 180° und dem ersten Wickel (a).Power semiconductor device according to Claim 2 , characterized in that a first adhesive (17 '), which causes the first adhesive bond (17) in a between the outer edge surfaces (15) of the cooling plate (5) and the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) arranged first gap (50) is arranged, wherein the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) to one of the recess (25) adjacent to the recess (25) encircling and the cavity (18) facing first surface (29) of the first cooling housing component (4) have a first angle (a) of greater than 91 ° and the outer edge surfaces (15) of the cooling plate (5) to one of the recess (25) adjacent, the Cavity facing first surface (36) of the cooling plate (5) has a second angle (γ), wherein the second angle (γ) is greater than the difference of 180 ° and the first coil (a). Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrandflächen (15) der Kühlplatte (5) und/oder die die Ausnehmung (25) begrenzenden Seitenflächen (16) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) eine Riffelung, aufweisen.Power semiconductor device according to one of Claims 2 to 7 , characterized in that the outer edge surfaces (15) of the cooling plate (5) and / or the recess (25) delimiting side surfaces (16) of the first cooling housing component (4) have a corrugation. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlgehäusebauteil (7) mit dem ersten Kühlgehäusebauteil (4) mittels einer um das zweite Kühlgehäusebauteil (7) umlaufenden zweiten Klebeverbindung (22) verbunden ist, die das erste Kühlgehäusebauteil (4) gegen das zweite Kühlgehäusebauteil (7) abdichtet.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the second cooling housing component (7) with the first cooling housing component (4) by means of a second cooling housing component (7) encircling second adhesive joint (22) is connected, the first cooling housing component (4) against the second cooling housing component (7) seals. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Klebeverbindung (22) Außenrandflächen (20) des zweiten Kühlgehäusebauteils (7) mit Innenrandflächen (21) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) verbindet.Power semiconductor device according to Claim 9 , characterized in that the second adhesive joint (22) connects outer peripheral surfaces (20) of the second cooling housing component (7) to inner peripheral surfaces (21) of the first cooling housing component (4). Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Klebstoff (22'), der die zweite Klebeverbindung (22) bewirkt, in einem zwischen den Außenrandflächen (20) des zweiten Kühlgehäusebauteils (7) und den Innenrandflächen (21) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) angeordneten zweiten Spalt (52) angeordnet ist.Power semiconductor device according to Claim 10 characterized in that a second adhesive (22 ') effecting the second adhesive joint (22) is disposed in a second one disposed between the outer peripheral surfaces (20) of the second cooling housing member (7) and the inner peripheral surfaces (21) of the first cooling housing member (4) Gap (52) is arranged. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Spalt (52) in Richtung weg vom Hohlraum (18) verjüngt. Power semiconductor device according to Claim 11 characterized in that the second gap (52) tapers away from the cavity (18). Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrandflächen (21) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) zu einer an den zweiten Spalt (52) angrenzenden, um das zweite Kühlgehäusebauteil (7) umlaufenden Außenfläche (30) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) einen Winkel (β) von 70° bis 89° aufweisen.Power semiconductor device according to Claim 12 , characterized in that the inner edge surfaces (21) of the first cooling housing component (4) form an angle (β) to an outer surface (30) of the first cooling housing component (4) which adjoins the second cooling housing component (7), surrounding the second gap (52). from 70 ° to 89 °. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrandflächen (20) des zweiten Kühlgehäusebauteils (7) und/oder die Innenrandflächen (21) des ersten Kühlgehäusebauteils (4) eine Riffelung (53), aufweisen.Power semiconductor device according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that the outer edge surfaces (20) of the second cooling housing component (7) and / or the inner edge surfaces (21) of the first cooling housing component (4) have a corrugation (53). Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlgehäusebauteil (4) eine an den Hohlraum (18) angrenzende Blockierungsfläche (31) aufweist, die eine Bewegung des zweiten Kühlgehäusebauteils (7) in Richtung auf den Hohlraum (18) blockiert.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the first cooling housing component (4) has a blocking surface (31) adjoining the cavity (18) which blocks movement of the second cooling housing component (7) in the direction of the cavity (18). Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (5) in den Hohlraum (18) hineinreichende Kühlplattenerhebungen (32) aufweist.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling plate (5) in the cavity (18) extending into the cold plate elevations (32). Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Kühlplattenerhebung (32) mittels einer jeweiligen dritten Klebeverbindung (23) mit dem zweiten Kühlgehäusebauteil (7) verbunden ist.Power semiconductor device according to Claim 16 , characterized in that the respective cooling plate elevation (32) by means of a respective third adhesive connection (23) with the second cooling housing component (7) is connected. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlgehäusebauteil (7) hohlraumseitig Kühlgehäusebauteilvertiefungen (41) aufweist, in die die Kühlplattenerhebungen (32) hineinragen, wobei ein dritter Klebstoff (23'), der die jeweilige dritte Klebeverbindung (23) bewirkt, in einem zwischen der jeweiligen Kühlplattenerhebung (32) und die jeweilige Kühlgehäusebauteilvertiefung (41) begrenzenden jeweiligen Flächen (55) des zweiten Kühlgehäusebauteils (7) angeordnetem jeweiligen dritten Spalt (54) angeordnet ist.Power semiconductor device according to Claim 17 , characterized in that the second cooling housing component (7) has cooling chamber component cavities (41) on the cavity side, into which the cooling plate elevations (32) protrude, wherein a third adhesive (23 '), which effects the respective third adhesive joint (23), in one between the respective cooling plate elevation (32) and the respective cooling housing component recess (41) limiting respective surfaces (55) of the second cooling housing component (7) arranged respective third gap (54) is arranged. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Klebstoff (17',22',23') elastisch ist.Power semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the respective adhesive (17 ', 22', 23 ') is elastic.
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