DE102017117667B4 - Leistungshalbleitermodul mit einer auf eine Schalteinrichtung einwirkenden Druckeinrichtung - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit einer auf eine Schalteinrichtung einwirkenden Druckeinrichtung Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (1) mit einer Grundplatte (4), auf der ein Gehäuse (6) und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung (10) angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung (10) ein Substrat (2) und eine Verbindungseinrichtung (3) aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche (300, 320) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) dieses Substrats (2) ein Leistungshalbleiterbauelement (26) angeordnet ist, und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5),die einen Druckkörper (50) und einen Druckeinleitkörper (54) aufweist, wobei aus dem Druckkörper 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 Projektion entlang der Normalenrichtung (N) des Substrats (2) innerhalb einer Fläche (260) des Leistungshalbleiterbauelements (26) angeordnet ist und wobei sich der Druckeinleitkörper (54) mittels mindestens zweier Befestigungsmittel (7), die in Widerlager (40) der Grundplatte (4) eingreifen, gegen die Grundplatte abstützt und wobei die Widerlager (40) und der geometrische Mittelpunkt (200) des Substrats (2) auf einer Geraden (8) angeordnet sind und wobeidas jeweilige Substrat (2) rechteckig ausgebildet ist und die Widerlager (40) neben diagonal einander gegenüberliegenden Eckbereichen (202, 204) angeordnet sind und mit diesen Eckbereichen (202, 204) auf einer Geraden angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens einer, vorzugsweise mindestens drei Schalteinrichtungen, wobei auf die jeweilige Schalteinrichtung mittels einer Druckeinrichtung Druck in Richtung auf eine Grundplatte des Leistungshalbleitermoduls ausgeübt wird.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der DE 10 2014 106 570 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul und eine Anordnung hiermit bekannt. Das Leistungshalbleitermodul ist ausgebildet mit einem Gehäuse, einer Schalteinrichtung mit einem dem Gehäuse verbundenen Substrat, einem hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, einer Verbindungseinrichtung, Lastanschlusseinrichtungen und einer gegen das Gehäuse beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung. Hierbei weist das Substrat eine erste mittige Durchgangsöffnung sowie gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen auf, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Hierbei weist die Verbindungseinrichtung eine erste und eine zweite Hauptfläche auf und ist mit einer elektrisch leitenden Folie ausgebildet. Weiterhin weist die Druckeinrichtung einen Druckkörper mit einer zweiten zur ersten fluchtenden Durchgangsöffnung und mit einer ersten Ausnehmung auf aus der ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb der Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist. Hierbei sind die erste und zweite Durchgangsöffnungen dazu ausgebildet ein Befestigungsmittel aufzunehmen, das das Leistungshalbleitermodul in der Anordnung auf einer Kühleinrichtung kraftschlüssig befestigt. Nachteilig hieran ist, dass das Substrat eine mittige Durchgangsöffnung aufweist, die einer kostengünstige Herstellung des Substrats entgegensteht. Die Basis eines derartigen Leistungshalbleitermoduls ist auch aus der DE 10 2013 104 949 B3 bekannt.
  • Die US 2014 / 0 291 833 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, wobei ein Halbleitermodul durch ein Federelement gegen einen Kühler gedrückt wird. Das Federelement wird durch ein Balkenelement komprimiert, das mit einer am Kühler befestigten Strebe verbunden ist. Der Kühler weist einen gepressten Teil auf, in den das Halbleitermodul gepresst wird, und einen Strebenbefestigungsteil, an dem die Strebe befestigt ist. Das Strebenbefestigungsteil weist eine höhere Steifigkeit auf als das gepresste Teil.
  • Die US 2011 / 0 216 507 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement ist ausgebildet mit einem Leistungsmodul, das einen Wechselstrom an eine Last liefern kann, während ein Gleichstrom von einer Batterie an das Leistungsmodul zur Umwandlung in Wechselstrom geliefert wird, mit einem Kühlelement und mit einem Montageelement, das einstückig mit einem Federabschnitt ausgebildet ist, der teilweise davon vorsteht und elastisch ausgebildet ist, was ermöglicht, dass das Leistungsmodul an dem Kühlelement in einem Zustand montiert wird, in dem eine Oberfläche des Leistungsmoduls dem Kühlelement zugewandt ist und der Federabschnitt dabei gegen die andere Oberfläche des Leistungsmoduls gegenüber seiner einen Oberfläche gedrückt wird.
  • Die JP 2013 - 74 138 A offenbart eine Halbleitersteuervorrichtung, die ein Federelement aufweist, das ein Halbleitermodul auf ein Kühlelement drückt. Dabei ist jeweils ein Paar von Kontaktarmteilen für jedes der drei Halbleitermodule in dem Federelement ausgebildet, wodurch die Druckkraft, die dadurch erzeugt wird, dass die Kontaktarmteile verformt werden, für jedes Halbleitermodul gleichförmig ist. Dadurch dass ein jeweiliges mittleres Kontaktarmteil, das von einem zu verschraubenden Durchgangsloch entfernt angeordnet ist, stärker gefaltet ist als die beiden jeweiligen anderen Kontaktarmteile, wird ein Schweben dieses jeweiligen mittleren Kontaktarmteils verhindert.
  • In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleitermodul, mit einer Grundplatte und mit mindestens einer Schalteinrichtung und einer hierauf eiwirkenden Druckeinrichtung vorzustellen, wobei die Druckeinleitung einfach und effektiv erfolgt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul ist ausgebildet mit einer Grundplatte, auf der ein Gehäuse und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung ein Substrat und eine Verbindungseinrichtung aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche aufweist, und , wobei auf einer Leiterbahn dieses Substrats ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung, die einen Druckkörper und einen Druckeinleitkörper aufweist, wobei aus dem Druckkörper ein Druckelement hervorstehend angeordnet ist, wobei das Druckelement auf einen Abschnitt der zweiten Hauptfläche der Verbindungseinrichtung drückt und hierbei dieser Abschnitt in Projektion entlang der Normalenrichtung des Substrats innerhalb einer Fläche des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist und wobei sich der Druckeinleitkörper mittels mindestens zweier Befestigungsmittel, die in Widerlager der Grundplatte eingreifen, gegen die Grundplatte abstützt und wobei die Widerlager, genauer dessen jeweiliges Zentrum, und der geometrische Mittelpunkt des Substrats auf einer Geraden angeordnet sind und wobei das jeweilige Substrat rechteckig ausgebildet ist und die Widerlager neben diagonal einander gegenüberliegenden Eckbereichen angeordnete sind und mit diesen Eckbereichen auf einer Geraden angeordnet sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Leistungshalbleitermodul mindestens drei Substrate auf, die derart in Reihe angeordnet sind, dass ihre geometrischen Mittelpunkte auf einer Geraden liegen.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn jedem Substrat ein eigener Druckeinleitkörper zugeordnet ist. Es kann aber auch bevorzugt sein, wenn allen Substraten ein gemeinsamer Druckeinleitkörper zugeordnet ist.
  • Vorzugsweise weist das jeweilige Substrat in unmittelbare Nähe zu einem der Widerlager Einzüge auf, insbesondere um Raum für die Befestigungsmittel zu schaffen.
  • Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement und das Druckelement, mehrfach in dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul vorhanden sein.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
    • 1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls in seitlicher Ansicht.
    • 2 bis 6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen eines Leistungshalbleitermoduls in Draufsicht.
  • 1 zeigt zur Erläuterung der Erfindung eine Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls 1 mit einer Grundplatte 4 und mit einer auf der Grundplatte 4 angeordneten Schalteinrichtung 10 in seitlicher Schnittansicht. Dargestellt ist als Teil der Schaltungsanordnung 10 ein grundsätzlich fachüblich ausgebildetes Substrat 2 mit einem Isolierstoffkörper 20 und hierauf angeordneten jeweils elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, die im Betrieb unterschiedliche Potentiale, insbesondere Lastpotentiale, aber auch Hilfs-, insbesondere Schalt- und Messpotentiale, der Schalteinrichtung aufweisen. Konkret dargestellt sind hier drei Leiterbahnen 22 mit Lastpotentialen, wie sie für eine Halbbrückentopologie typisch sind.
  • Auf zwei Leiterbahnen 22 ist jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 26, hier genauer ein Leistungsschalter angeordnet, der fachüblich als MOS-FET oder als IGBT mit antiparallel geschalteter Leistungsdiode ausgebildet ist. Die Leistungsschalter sind fachüblich, bevorzugt mittels einer Sinterverbindung, mit den Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden.
  • Die internen Verbindungen der Schalteinrichtung 10 sind ausgebildet mittels einer Verbindungseinrichtung 3 aus einem fachüblichen Folienverbund bzw. Folienstapel aus einer ersten elektrisch leitenden Folie 30, einer elektrisch isolierenden Folie 34 und einer zweiten elektrisch leitenden Folie 32. Diese 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 Leiterbahnabschnitte der Verbindungseinrichtung 3 mit den Kontaktflächen mittels einer Sinterverbindung stoffschlüssig verbunden. Selbstverständlich können auf auf gleiche Weise und auch gleichzeitig Verbindungen zwischen Leistungshalbleiterbauelementen 26 und zwischen Leiterbahnen 22 des Substrats 2 ausgebildet werden. Die dem Substrat 2 zugewandte Oberfläche der ersten leitenden Folie 30 bildet hierbei eine erste Hauptfläche 300 aus, während die gegenüberliegende Oberfläche der zweiten leitenden Folie 32 eine zweite Hauptfläche 320 ausbildet.
  • Zur externen elektrischen Anbindung weist das Leistungshalbleitermodul, hier nicht explizit dargestellt, Last- und Hilfsanschlusselemente auf.
  • Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin ein Gehäuse 6 auf, das mit dem Substrat 2 mit einer Klebeverbindung verbunden ist und ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, wobei ein Teil des Gehäuses einen Rahmen ausbilden kann, der von einem weiteren Teil bedeckt wird. Ein rahmenartiger Teil dieses Gehäuses ist in 1 dargestellt. Das Gehäuse 6 ist auf der Grundplatte 4 angeordnet um umschließt die Schalteinrichtung 10, wie auch eine in Normalenrichtung N des Substrats bewegliche Druckeinrichtung 5, die dazu ausgebildet ist auf die Schalteinrichtung 10 Druck auszuüben.
  • Die Druckeinrichtung 5 weist einen Druckkörper 50 und einer Mehrzahl, dargestellt sind zwei, Druckelementen 52 auf. Der Druckkörper 50 ist besonders 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 aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid. Die Druckelemente 52 müssen im Betrieb und hierbei insbesondere bei unterschiedlichen Temperarturen einen im Wesentlichen konstanten Druck ausüben können. Hierzu bestehen die Druckelemente 52 aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus sog. Flüssig-Silikon. Grundsätzlich sind hier alle Varianten der Druckeinrichtung 5, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind vorsehbar.
  • Die Druckeinrichtung 5 weist weiterhin einen Druckeinleitkörper 54 auf, der als federelastischer Bügel, vorzugsweise als Metallbügel, ausgebildet. Dieser Druckeinleitkörper 54 stützt sich mittels zweier Befestigungsmittel 7, die in Widerlager 40 der Grundplatte 4 eingreifen gegen die Grundplatte 4 ab und drückt mittig auf den Druckkörper 50. Hierzu liegt bei dieser Ausgestaltung, aber nicht notwendigerweise, der Druckeinleitkörper 54 in seinem jeweiligen Endabschnitt 540, 542 auf einem rahmenartigen Teil des Gehäuses 6 auf. Durch den jeweiligen Endabschnitt 540, 542, wie auch durch das Gehäuse 6 ragt jeweils ein als Schraube ausgebildetes Befestigungsmittel 7. Diese Schraube 7 greift in mit einem Innengewinde versehene Ausnehmungen 40 der Grundplatte 4 ein, wobei diese Ausnehmungen die Widerlager 40 ausbilden.
  • Durch das Verschrauben der Endabschnitte 540, 542 mit der Grundplatte 4 erzeugt der Druckeinleitkörper 54 mit seinen mittleren Abschnitt 544 einen Druck mittig auf den Druckkörper 50, der in Normalenrichtung fluchtend zum geometrischen Mittelpunkt 200, vgl. 2, des Substrats 2 angeordnet ist. Somit liegen die Zentren der Widerlager 40 und der geometrische Mittelpunkt 200 des Substrats 2, vgl. beispielhaft auch 2, auf einer Geraden.
  • Der Druck des Druckeinleitkörpers 54 wird mittels des Druckkörpers 50 und der Druckelemente 52 auf einen Abschnitt 322 einer zweiten Hauptfläche 320 der Verbindungseinrichtung 3 eingeleitet. Diese Einleitung erfolgt auf einen Abschnitt 322 der zweiten Hauptfläche 320, der in Projektion entlang der Normalenrichtung N des Substrats 2 innerhalb der Fläche 260 des Leistungshalbleiterbauelements 26 angeordnet ist. Somit wird der Druck weitergeleitet, wodurch das Substrat 2 an den Positionen der Leistungshalbleiterbauelemente 26 besonders effektiv auf die Grundplatte 4 gedrückt wird. Hiermit erfolgt der Wärmeübergang von dem jeweiligen Leistungshalbleiterbauelement auf die zur Kühlung und weiteren Wärmespreizung dienende Grundplatte besonders wirksam.
  • 2 bis 6 zeigen verschiedene Ausgestaltungen eines Leistungshalbleitermoduls 1 in Draufsicht, ohne dass das Gehäuse und die Anschlusseinrichtungen explizit dargestellt sind. Dargestellt ist jeweils eine Grundplatte 4 eines Leistungshalbleitermoduls 1 mit drei in Reihe angeordneten Schalteinrichtungen 10, ihrerseits bestehend aus jeweils einem Substrat 2, jeweils ausgebildet wie unter 1 beschrieben. Auch die nicht explizit dargestellte Verbindungseinrichtung ist wie unter 1 beschrieben ausgebildet.
  • 2 und 3 zeigen jeweils drei Substrate 2 in Reihe, wobei die Widerlager 40 der Grundplatte 4 jeweils benachbart zu zwei einander gegenüberliegenden Seiten 206, 208 des Substrats 2 und dort auf dem jeweiligen Mittelpunkt 216 der Seite 206, 208 angeordnet sind.
  • Zur besonders Platz sparenden Anordnung weisen die Substrate 2 gemäß 3 noch jeweils Einzüge 24 auf. Daher ist der jeweilige Mittelpunkt 216 der Seite 206, 208 ein virtueller Mittelpunkt, da er nicht auf dem Substrat 2 selbst liegt.
  • Die geometrischen Mittelpunkte 200 der jeweiligen Substrate 2 liegen mit den diesem Substrat 2 zugeordneten Widerlagern 40, genauer deren Zentren auf einer Geraden.
  • Jedem der Substrate 2 ist jeweils ein Druckeinleitkörper 54 zugeordnet, wobei zwischen zwei Substraten 2 nur jeweils ein Widerlager 40 angeordnet ist, das somit beiden benachbarten Substraten 2 zugeordnet ist. Im Grunde können die drei, dargestellt ist nur einer, der Druckeinleitkörper 54, auch zu einem einzigen Druckkörper entarten, der dann allen drei Subtraten 2 zugeordnet ist.
  • 4 bis 6 zeigt wiederum jeweils drei Substrate 2 in Reihe, wobei die Widerlager 40 der Grundplatte 4 jeweils benachbart zu zwei, oder im Falle der 5 und 6 aller vier einander gegenüberliegenden Eckbereiche 202, 204 des Substrats 2 angeordnet sind. Zur besonders Platz sparenden Anordnung weisen die jeweiligen Substrate 2 jeweils vorteilhafte, aber im Grunde aber nicht notwendige, Einzüge 24 auf.
  • Die geometrischen Mittelpunkte 200 der jeweiligen Substrate 2 liegen mit den diesem Substrat 2 zugeordneten Widerlagern 40, genauer deren Zentren auf einer Geraden.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist jedem der Substrate 2 jeweils ein Druckeinleitkörper 54 zugeordnet, der sich auf zwei Widerlager 40 abstützt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist jedem der Substrate 2 jeweils ein Druckeinleitkörper 54 zugeordnet, der sich auf vier Widerlager 40 abstützt, wobei die Widerlager 40 zwischen den Substraten 2 jeweils doppelt, also jeweils den beiden benachbarten Substraten 2, zugeordnet sind.
  • Der Ausführungsform gemäß 6 ist allen Substraten 2 gemeinsam ein einziger Druckeinleitkörper 54 zugeordnet, der sich auf jeweils vier Widerlager 40 abstützt, wobei wiederum die Widerlager 40 zwischen den Substraten 2 nur jeweils doppelt zugeordnet sind.

Claims (7)

  1. Leistungshalbleitermodul (1) mit einer Grundplatte (4), auf der ein Gehäuse (6) und eine hiervon umschlossene Schalteinrichtung (10) angeordnet sind, wobei die Schalteinrichtung (10) ein Substrat (2) und eine Verbindungseinrichtung (3) aufweist, die eine erste und eine zweite Hauptfläche (300, 320) aufweist, wobei auf einer Leiterbahn (22) dieses Substrats (2) ein Leistungshalbleiterbauelement (26) angeordnet ist, und mit einer in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich ausgebildeten Druckeinrichtung (5), die einen Druckkörper (50) und einen Druckeinleitkörper (54) aufweist, wobei aus dem Druckkörper 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 Projektion entlang der Normalenrichtung (N) des Substrats (2) innerhalb einer Fläche (260) des Leistungshalbleiterbauelements (26) angeordnet ist und wobei sich der Druckeinleitkörper (54) mittels mindestens zweier Befestigungsmittel (7), die in Widerlager (40) der Grundplatte (4) eingreifen, gegen die Grundplatte abstützt und wobei die Widerlager (40) und der geometrische Mittelpunkt (200) des Substrats (2) auf einer Geraden (8) angeordnet sind und wobei das jeweilige Substrat (2) rechteckig ausgebildet ist und die Widerlager (40) neben diagonal einander gegenüberliegenden Eckbereichen (202, 204) angeordnet sind und mit diesen Eckbereichen (202, 204) auf einer Geraden angeordnet sind.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei mindestens drei Substrate (2) derart in Reihe angeordnet sind, dass ihre geometrischen Mittelpunkte (200) auf einer Geraden liegen.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, wobei jedem Substrat (2) ein eigener Druckeinleitkörper (54) zugeordnet ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, wobei alle Substraten (2) ein gemeinsamer Druckeinleitkörper (54) zugeordnet ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Substrat (2) in unmittelbare Nähe zu einem der Widerlager (40) Einzüge (24) aufweist.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungseinrichtung (3) als Folienstapel mit mindestens einer elektrisch leitenden und mindestens einer elektrisch isolierenden Folie (30, 32, 34) ausgebildet ist
  7. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (50) aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyphenylensulfid, und das Druckelement (52) aus einem Silikonkautschuk, insbesondere aus Flüssig-Silikon, besteht.
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