DE102018131855A1 - Power semiconductor module with a pressure body and with a pressure introduction body, power semiconductor arrangement hereby and power semiconductor system herewith - Google Patents

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Sandro Bulovic
Ralf Ehler
Harald Kobolla
Alexander Schneider
Christian Zeiler
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Semikron Elektronik GmbH and Co KG
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Abstract

Vorgestellt wird ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, mit einem Druckkörper und mit einen Druckeinleitkörper, wobei das Substrat einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, wobei der Druckkörper einen Druckgrundkörper und von diesem in Richtung auf das Substrat wegstehende Druckelemente aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche des Substrats, die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, Druck auf das Substrat in Richtung auf das Kühlbauteil auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper auf den Druckkörper eingeleitet wird. Weiterhin wird eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlbauteil, sowie ein Leistungshalbleitersystem mit Leistungshalbleitereinrichtungen vorgestellt.A power semiconductor module is presented, for arrangement on a cooling component, with electrical connection elements, with a substrate for arrangement on the cooling component, with a pressure body and with a pressure introduction body, the substrate having a substrate body and a plurality of conductor tracks, with at least one of these conductor tracks a power semiconductor component is arranged, the pressure body having a pressure base body and pressure elements protruding therefrom in the direction of the substrate, each of which is designed for an associated pressure introduction surface of the substrate, which is arranged in the immediate vicinity of the power semiconductor component, pressure on the substrate in the direction to exert on the cooling component, the pressure being introduced through the pressure introduction body onto the pressure body. Furthermore, a power semiconductor device with a power semiconductor module and a cooling component and a power semiconductor system with power semiconductor devices are presented.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, das einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, mit einem Druckkörper und mit einem Druckeinleitkörper. Weiterhin beschreibt die Erfindung eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem derartigen Leistungshalbleitermodul und mit einem Kühlbauteil, auf dem das Leistungshalbleitermodul angeordnet ist. Schließlich beschreibt die Erfindung ein Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiteranordnungen.The invention describes a power semiconductor module, for arrangement on a cooling component, with electrical connection elements, with a substrate for arrangement on the cooling component, which has a substrate body and a plurality of conductor tracks, with a pressure body and with a pressure introduction body. Furthermore, the invention describes a power semiconductor arrangement with such a power semiconductor module and with a cooling component on which the power semiconductor module is arranged. Finally, the invention describes a power semiconductor system with a plurality of power semiconductor arrangements.

Aus der DE 10 2012 206 264 A1 ist ein Leistungshalbleitersystem und hierfür ein anreihbares Leistungshalbleitermodul bekannt, mit einer quaderförmigen, jeweils zwei sich jeweils paarweise gegenüberliegenden Haupt- Längs- und Schmalseiten aufweisenden Grundform, mit einer durchströmbaren Kühleinrichtung, einer leistungselektronischen Schalteinrichtung und einem Gehäuse vorgestellt. Hierbei weist die Kühleinrichtung ein Kühlvolumen mit mindestens einer Kühlfläche und vier Anschlusseinrichtungen für die Kühlflüssigkeit auf, die paarweise an den Hauptseiten angeordnet sind. Weiterhin sind die Anschlusseinrichtungen für die Kühlflüssigkeit ausgebildet als jeweils ein Vorlaufzu- und ein Vorlaufabfluss sowie als ein Rücklaufzu- und ein Rücklaufabfluss. Die leistungselektronische Schalteinrichtung weist Lasteingangs- und Lastausgangsanschlusseinrichtungen auf, die jeweils an einer oder beiden Längsseiten angeordnet sind sowie eine Steueranschlusseinrichtung, die an einer Schmalseite des Leistungshalbleitermoduls angeordnet ist.From the DE 10 2012 206 264 A1 A power semiconductor system and for this purpose a stackable power semiconductor module is known, with a cuboid basic shape, each having two main longitudinal and narrow sides opposite each other, with a flow-through cooling device, a power electronic switching device and a housing. Here, the cooling device has a cooling volume with at least one cooling surface and four connection devices for the cooling liquid, which are arranged in pairs on the main sides. Furthermore, the connection devices for the cooling liquid are designed as a flow inlet and a flow outlet as well as a return flow and a return flow. The power electronic switching device has load input and load output connection devices, which are each arranged on one or both long sides, and a control connection device, which is arranged on a narrow side of the power semiconductor module.

In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein weitergebildetes Leistungshalbleitersystem mit weitergebildeter Ausgestaltung der Leistungshalbleiteranordnung und zugehörigem weitergebildetem Leistungshalbleitermodul anzugeben.Knowing the state of the art, the object of the invention is to provide a further developed power semiconductor system with a further developed configuration of the power semiconductor arrangement and an associated further developed power semiconductor module.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul, zur Anordnung auf einem Kühlbauteil, mit elektrischen Anschlusselementen, mit einem Substrat zur Anordnung auf dem Kühlbauteil, mit einem Druckkörper und mit einen Druckeinleitkörper, wobei das Substrat einen Substratkörper und eine Mehrzahl von Leiterbahn aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, wobei der Druckkörper einen Druckgrundkörper und von diesem in Richtung auf das Substrat wegstehende Druckelemente aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche des Substrats, die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, Druck auf das Substrat in Richtung auf das Kühlbauteil auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper auf den Druckkörper eingeleitet wird.This object is achieved according to the invention by a power semiconductor module, for arrangement on a cooling component, with electrical connection elements, with a substrate for arrangement on the cooling component, with a pressure element and with a pressure introduction element, the substrate having a substrate element and a plurality of conductor tracks, with on A power semiconductor component is arranged in at least one of these conductor tracks, the pressure body having a pressure base body and pressure elements projecting therefrom in the direction of the substrate, each of which is designed to apply pressure to an associated pressure introduction surface of the substrate, which is arranged in the immediate vicinity of the power semiconductor component to exert the substrate in the direction of the cooling component, the pressure being introduced through the pressure introduction body onto the pressure body.

Hierbei können in einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Druckeinleitfläche mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente zugeordnet sein.In an advantageous embodiment, at least two power semiconductor components can be assigned to a pressure introduction surface.

Es ist bevorzugt, wenn die jeweilige Druckeinleitfläche des Substrats auf dem Substratkörper oder auf einer Leiterbahn oder in einer Vertiefung der Leiterbahn angeordnet ist. Selbstverständlich sind Mischformen hiervon ebenso möglich.It is preferred if the respective pressure introduction surface of the substrate is arranged on the substrate body or on a conductor track or in a recess in the conductor track. Mixed forms of this are of course also possible.

Vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf einer Leiterbahn und vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind. Dabei kann zwischen den in Reihe angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen jeweils eine Druckeinleitfläche angeordnet sein.It is advantageous if a plurality of power semiconductor components are arranged on a conductor track and preferably in a row. In this case, a pressure introduction surface can be arranged in each case between the power semiconductor components arranged in series.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl von Leiterbahnen parallel zueinander angeordnet sind und bei vorhanden sein einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen auf der jeweiligen Leiterbahn diese in Reihen nebeneinander hierauf angeordnet sind, wodurch die Leistungshalbleiterbauelemente in einer N x M Matrixstruktur angeordnet sind, mit N > 1 und M > 1.It can also be advantageous if a plurality of conductor tracks are arranged parallel to one another and if there are a plurality of power semiconductor components on the respective conductor track, these are arranged in rows next to one another thereon, as a result of which the power semiconductor components are arranged in an N x M matrix structure, with N> 1 and M> 1.

In einer bevorzugten Variante ist der Druckkörper samt Druckelementen starr ausgebildet. Alternativ hierzu kann ein Druckgrundkörper des Druckkörpers starr und mindestens eines der Druckelemente in Normalenrichtung des Substrats beweglich oder federnd beweglich, ausgebildet sein. Hierbei kann das bewegliche Druckelement teilweise in einer Freisparung des Druckgrundkörpers angeordnet sein. Auch kann das bewegliche Druckelement mittels einer oder bevorzugt mehrerer Zungen mit dem Druckgrundkörper verbunden sein, wobei die Beweglichkeit durch die Form oder das Material der Zunge oder eine Kombination aus beiden erreicht wird. Mittels derartiger beweglicher Druckelemente kann die Homogenität der Druckeinleitung des Druckkörpers über die Druckelemente verbessert werden.In a preferred variant, the pressure body together with the pressure elements is rigid. As an alternative to this, a pressure base body of the pressure body can be rigid and at least one of the pressure elements movable or resiliently movable in the normal direction of the substrate. In this case, the movable pressure element can be partially arranged in a recess in the printing base body. The movable pressure element can also be connected to the pressure base body by means of one or preferably a plurality of tongues, the mobility being achieved by the shape or the material of the tongue or a combination of both. With such movable pressure elements, the homogeneity of the pressure introduction of the pressure body via the pressure elements can be improved.

Vorteilhaft ist es auch, wenn auf der dem Substrat abgewandten Seite des Druckkörpers oder in Ausnehmungen auf der dem Substrat abgewandten Seite des Druckkörpers und aus diesen Ausnehmungen hervorragend ein erster Elastomerkörper angeordnet ist. Dieser erste Elastomerkörper kann hierbei teilweise oder vollständig die Druckeinleitung auf den Druckkörper bewirken.It is also advantageous if a first elastomer body is excellently arranged on the side of the pressure element facing away from the substrate or in recesses on the side of the pressure element facing away from the substrate and from these recesses. This first elastomer body can partially or completely bring about the introduction of pressure to the pressure body.

Es kann besonders bevorzugt sein, wenn die Druckelemente an ihrer dem Substrat zugewandten Seite oder in Ausnehmungen an ihrer dem Substrat zugewandten Seite und aus diesen Ausnehmungen hervorragend jeweils einen zweiten Elastomerkörper aufweisen, dessen dem Substrat zugewandte Kontaktfläche auf die Druckeinleitfläche des Substrat Druck ausübt. Hierdurch können auf besonders einfache Weise Auswirkungen von Materialtoleranzen des Druckkörpers, die zu unterschiedlichen Längen der Druckelemente führen, ausgeblichen werden. Ohne diesen Ausgleich können einzelne von mehreren Druckelementen eines Druckkörpers möglicherweise nicht oder nicht ausreichend Druck auf das Substrat ausüben.It can be particularly preferred if the pressure elements on their side facing the substrate or in recesses on their side Side facing the substrate and each of these recesses outstanding have a second elastomer body, the contact surface facing the substrate exerts pressure on the pressure introduction surface of the substrate. In this way, effects of material tolerances of the pressure body, which lead to different lengths of the pressure elements, can be bleached out in a particularly simple manner. Without this compensation, individual pressure elements of a pressure element may not be able to exert pressure on the substrate or may not exert sufficient pressure on the substrate.

Es kann auch vorteilhaft sein, wenn der Druckkörper ein Druckvermittlungselement aufweist, das dazu ausgebildet ist den Druck vom Druckeinleitkörper aufzunehmen und auf eine Mehrzahl von Druckvermittlungsstellen auf den Druckgrundkörper weiterzuleiten. Hierdurch wird die Homogenität der Druckeinleitung auf das Substrat verbessert.It can also be advantageous if the pressure body has a pressure-transmitting element which is designed to receive the pressure from the pressure-introducing body and to transmit it to a plurality of pressure-switching points on the pressure base body. This improves the homogeneity of the introduction of pressure onto the substrate.

Es könnte auch bevorzugt sein, wenn zwischen dem Druckkörper und dem Druckeinleitkörper ein Federelement, vorzugsweise ein metallisches Federelement, vorzugsweise eine Schraubenfeder oder ein Stapel aus Tellerfedern, angeordnet ist. Dieses Federelement oder bevorzugt mehrere Federelemente können hierbei in oder auf einem Haltemittel angeordnet sein. Das Haltemittel und das mindestens eine Federelement bilden bevorzugt eine bauliche Einheit. Zudem kann das Haltemittel den Druck des Federelements auf mindestens zwei Stellen des Druckgrundkörpers weiterleiten, was wiederum die Homogenität der Druckeinleitung verbessert.It could also be preferred if a spring element, preferably a metallic spring element, preferably a helical spring or a stack of disc springs, is arranged between the pressure body and the pressure introduction body. This spring element or preferably a plurality of spring elements can be arranged in or on a holding means. The holding means and the at least one spring element preferably form a structural unit. In addition, the holding means can transmit the pressure of the spring element to at least two locations on the pressure base body, which in turn improves the homogeneity of the introduction of pressure.

Meist ist es bevorzugt, wenn der Druckkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht.It is usually preferred if the pressure body consists of an electrically insulating material.

Alternativ kann es bei manchen Anwendungsfällen bevorzugt sein, wenn jeweils ein Druckkörper von mehreren, vorzugsweise parallel zum Substrat nebeneinander angeordneten, Druckkörpern und ein dem jeweiligen Druckkörper zugeordnetes Lastanschlusselement einstückig ausgebildet sind und jeweils aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen. In diesem Fall muss zumindest eines der Druckelemente, aber nicht notwendigerweise alle Druckelemente eines Druckkörpers, mit einer zugeordneten Leiterbahn einen elektrisch leitfähigen Kontakt aufweisen.Alternatively, it may be preferred in some applications if a pressure body of several pressure bodies, preferably arranged parallel to the substrate, and a load connection element assigned to the respective pressure body are formed in one piece and each consist of an electrically conductive material. In this case, at least one of the pressure elements, but not necessarily all pressure elements of a pressure body, must have an electrically conductive contact with an associated conductor track.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem oben beschriebenen Leistungshalbleitermodul und mit einem Kühlbauteil, wobei das Substrat des Leistungshalbleitermoduls auf dem Kühlbauteil angeordnet ist, wobei der Druckeinleitkörper mit dem Kühlbauteil starr verbunden ist und in Richtung auf das Kühlbauteil zu Druck auf den Druckgrundkörper des Druckkörpers ausübt, der über die Druckelemente Druck auf die Druckeinleitflächen des Substrats ausübt und somit das Substrat in seiner Normalenrichtung thermisch leitend auf das Kühlbauteil drückt. Diese Leistungshalbleiteranordnung kann noch ein Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse mit dem Druckeinleitkörper entarten kann, wobei somit der Druckeinleitkörper das Gehäuse, oder zumindest einen Teil hiervon ausbildet.The object is further achieved by a power semiconductor arrangement with a power semiconductor module described above and with a cooling component, the substrate of the power semiconductor module being arranged on the cooling component, the pressure introduction body being rigidly connected to the cooling component and in the direction of the cooling component to exert pressure on the pressure base body of the Exerts pressure body, which exerts pressure on the pressure introduction surfaces of the substrate via the pressure elements and thus presses the substrate in its normal direction in a thermally conductive manner on the cooling component. This power semiconductor arrangement can also have a housing, the housing being able to degenerate with the pressure introduction body, the pressure introduction body thus forming the housing, or at least a part thereof.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die starre Verbindung zwischen dem Kühlbauteil und dem Druckeinleitkörper durch eine Schraubverbindung ausgebildet ist. Diese starre Verbindung kann unmittelbar, aber auch mittelbar, durch diese Schraubverbindung ausgebildet sein. Selbstverständlich sind gleichwirkende Alternativen, wie Klebeverbindungen, Nietverbindungen oder Schnapp- Rastverbindungen, ebenfalls möglich.It may be advantageous if the rigid connection between the cooling component and the pressure introduction body is formed by a screw connection. This rigid connection can be formed directly, but also indirectly, by means of this screw connection. Of course, alternatives with the same effect, such as adhesive connections, riveted connections or snap-in connections, are also possible.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von oben genannten Leistungshalbleiteranordnungen, wobei die Leistungshalbleiteranordnungen gestapelt übereinander angeordnet sind.The object is further achieved by a power semiconductor system with a plurality of power semiconductor arrangements mentioned above, the power semiconductor arrangements being stacked one above the other.

Hierbei können jeweils benachbarte Leistungshalbleiteranordnungen über Kühlmittelzu- und Kühlmittelabflüsse der jeweiligen Kühlbauteile, die als Flüssigkeitskühlbauteile ausgebildet sind, miteinander verbunden sein.In each case, adjacent power semiconductor arrangements can be connected to one another via coolant inflows and outflows of the respective cooling components, which are designed as liquid cooling components.

In einer speziellen Ausgestaltung des Leistungshalbleitersystems kann innerhalb eines Stapels auch ein Teil einer in diesem Stapel auf eine Leistungshalbleiteranordnung folgende Leistungshalbleiteranordnung den Druckeinleitkörper ausbilden. Insbesondere kann ein Kühlbauteil der folgenden Leistungshalbleiteranordnung den Druckkörper der darunter angeordneten Leistungshalbleitereinrichtung ausbilden.In a special embodiment of the power semiconductor system, a part of a power semiconductor arrangement following a power semiconductor arrangement in this stack can also form the pressure introduction body within a stack. In particular, a cooling component of the following power semiconductor arrangement can form the pressure body of the power semiconductor device arranged below it.

Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale oder Gruppen von Merkmalen, insbesondere der Druckkörper, mehrfach in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhanden sein.Of course, unless this is explicitly or per se excluded or contradicts the idea of the invention, the features or groups of features mentioned in the singular, in particular the pressure body, can be present multiple times in the arrangement according to the invention.

Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, unabhängig davon ob sie im Rahmen der Beschreibung des Leistungshalbleitermoduls, der Leistungshalbleiteranordnung oder des Leistungshalbleitersystems genannt sind, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various configurations of the invention can be implemented individually or in any combination in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned and explained above and below are not only in the specified combinations, regardless of whether they are mentioned in the context of the description of the power semiconductor module, the power semiconductor arrangement or the power semiconductor system, but also in other combinations or on their own can be used without departing from the scope of the present invention.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 11 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

  • 1 zeigt schematisch in zweidimensionaler Explosionsansicht eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 2 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung eines Druckelements analog der ersten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
  • 3 zeigt schematisch in zweidimensionaler Ansicht eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 4 zeigt eine Ausbildung eines Substrats der zweiten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
  • 5 zeigt schematisch in dreidimensionaler Explosionsansicht wesentliche Teile einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 6 zeigt schematisch in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 7 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung einer weiteren Ausgestaltung eines Druckelements.
  • 8 zeigt schematisch in zweidimensionaler Ansicht eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
  • 9 zeigt eine Ausbildung eines Substrats der fünften Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls.
  • 10 zeigt in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung.
  • 11 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht drei Leistungshalbleiteranordnungen die ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitersystem ausbilden.
Further explanations of the invention, advantageous details and features result from the following description of the in the 1 to 11 schematically illustrated embodiments of the invention, or of respective parts thereof.
  • 1 shows schematically in a two-dimensional exploded view a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • 2nd shows a three-dimensional view of a concrete design of a pressure element analogous to the first embodiment of the power semiconductor module.
  • 3rd shows schematically in a two-dimensional view a second embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • 4th shows an embodiment of a substrate of the second embodiment of the power semiconductor module.
  • 5 shows schematically in three-dimensional exploded view essential parts of a third embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • 6 schematically shows in a three-dimensional view essential parts of a fourth embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • 7 shows a three-dimensional view of a specific embodiment of a further embodiment of a printing element.
  • 8th shows schematically in a two-dimensional view a fifth embodiment of a power semiconductor module according to the invention.
  • 9 shows an embodiment of a substrate of the fifth embodiment of the power semiconductor module.
  • 10th shows in three-dimensional view essential parts of a power semiconductor arrangement according to the invention.
  • 11 shows in a three-dimensional exploded view three power semiconductor arrangements which form a power semiconductor system according to the invention.

1 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Explosionsansicht eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls 1, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist hier ein fachübliches Substrat 2 mit einem isolierenden Grundkörper 20, beispielhaft aber nicht einschränkend eine Isolierkeramik, auf. Auf diesem Grundkörper 20 sind, auf der dem Kühlbauteil 8 abgewandten Seite Leiterbahnen 22 angeordnet. Auf diesen Leiterbahnen 22 sind insbesondere fachübliche Leistungshalbleiterbauelemente 3 angeordnet und schaltungsgerecht miteinander oder mit anderen Leiterbahnen 22 elektrisch leitend verbunden. 1 shows schematically in a two-dimensional lateral exploded view a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention 1 , as well as a cooling component 8th for the arrangement of the power semiconductor module 1 , whereby a power semiconductor arrangement according to the invention is formed. The power semiconductor module 1 has a common substrate here 2nd with an insulating body 20th , as an example, but not by way of limitation, an insulating ceramic. On this basic body 20th are on the cooling component 8th opposite side conductor tracks 22 arranged. On these tracks 22 are, in particular, customary power semiconductor components 3rd arranged and circuit-compatible with each other or with other conductor tracks 22 electrically connected.

Das Leistungshalbleitermodul 1 weist weiterhin fachübliche Anschlusselemente 5, hier dargestellt sind zwei Lastanschlusselemente 50, auf, wovon eines mit der in dieser Schnittansicht sichtbaren Leiterbahn 22 elektrisch leitend verbunden ist.The power semiconductor module 1 still has customary connection elements 5 , shown here are two load connection elements 50 , of which one with the conductor track visible in this sectional view 22 is electrically connected.

Zur thermischen Anbindung des Substrats 2 an ein Kühlbauteil 8 weist das Leistungshalbleitermodul 1 einen Druckkörper 4 und einen Druckeinleitkörper 6 auf. Der Druckkörper 4 ist hier ein starrer Kunststoffformkörper mit einem Druckgrundkörper 40 und von diesem in Normalenrichtung N des Substrats 2 wegstehenden Druckelementen 42. Der Druckgrundkörper 40 und die Druckelemente 42 bilden ein Bauteil, sind also einstückig ausgebildet. Der Druckgrundkörper 40 weist auf seiner dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf. In diesen Ausnehmungen ist jeweils ein erster Elastomerkörper 44 derart angeordnet, dass er aus der Ausnehmung hervorsteht. Der jeweilige erste Elastomerkörper 44 wirkt als ein dauerelastischer Federkörper, der bevorzugt aus einem silikonbasierten Elastomer, beispielhaft aus einem sog. liquid silicon rubber, ausgebildet sein kann.For thermal bonding of the substrate 2nd to a cooling component 8th has the power semiconductor module 1 a pressure hull 4th and a pressure introduction body 6 on. The pressure hull 4th here is a rigid molded plastic body with a pressure base 40 and from this in the normal direction N of the substrate 2nd protruding printing elements 42 . The printing body 40 and the printing elements 42 form a component, so they are made in one piece. The printing body 40 points to its the substrate 2nd facing surface a plurality of recesses. In each of these recesses there is a first elastomer body 44 arranged such that it protrudes from the recess. The respective first elastomer body 44 acts as a permanently elastic spring body, which can preferably be formed from a silicone-based elastomer, for example from a so-called liquid silicon rubber.

Die Druckelemente 42 sind dazu vorgesehen nach der Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 auf dem Kühlbauteil 8 auf Leiterbahnen 22 des Substrats 2, idealerweise eng benachbart zu den Leistungshalbleiterbauelementen zu drücken. Bevorzugt ist es, wenn neben zwei einander gegenüberliegenden Kanten jeweils die Druckeinleitflächen des Substrats 2 angeordnet sind, auf die die Druckelemente 42 Druck auf das Substrat 2, hier genauer auf die Leiterbahn 22 des Substrats 2, ausüben. Hierbei wird das Substrat 2 derart auf das Kühlbauteil 8 gedrückt, dass der thermische Kontakt des Leistungshalbleiterbauelements 3 zum Kühlbauteil 8 hervorragen ausgebildet ist, insbesondere, wenn hierbei berücksichtigt wird, dass das Substrat eine wärmespritzende Wirkung aufweist.The printing elements 42 are intended for this purpose after the power semiconductor module has been installed 1 on the cooling component 8th on conductor tracks 22 of the substrate 2nd , ideally to press closely adjacent to the power semiconductor components. It is preferred if, in addition to two mutually opposite edges, the pressure introduction surfaces of the substrate 2nd are arranged on which the pressure elements 42 Print on the substrate 2nd , here in more detail on the conductor track 22 of the substrate 2nd , exercise. This is the substrate 2nd such on the cooling component 8th pressed that the thermal contact of the power semiconductor device 3rd to the cooling component 8th protruding, especially if it is taken into account that the substrate has a heat-spraying effect.

Die Druckeileitung auf den Druckkörper 4 erfolgt über die ersten Elastomerkörper 44 und wird durch einen Druckeinleitkörper 6 erzeugt. Dieser Druckeinleitkörper 6 ist hierzu ebenfalls starr und in dieser Ausgestaltung als Kunststoffformkörper ausgebildet und mittels Schrauben 82 mit dem Kühlbauteil 8, genauer dort angeordneten Schraubausnehmungen 80 verbunden. Der Druckeinleitkörper 6 weist bei dieser Ausgestaltung von einer Innen- zu einer Außenseite hindurchreichend Aussparungen 600 zur Durchführung von Anschluss-, hier dargestellt von Lastanschlusselementen 50, auf.The pressure line to the pressure body 4th takes place over the first elastomer body 44 and is through a pressure introduction body 6 generated. This pressure introducer 6 is also rigid and designed in this embodiment as a molded plastic body and by means of screws 82 with the cooling component 8th , more precisely screw recesses arranged there 80 connected. The pressure introducer 6 in this embodiment has cutouts extending from the inside to the outside 600 to carry out connection, shown here of load connection elements 50 , on.

Durch die Montage des Leistungshalbleitermoduls 1 auf dem Kühlbauteil 8, wobei hier der Druckeinleitkörper 5 fest mit dem Kühlbauteil 8 verbunden wird, wird eine Druckkaskade 70, 72, 74 ausgebildet, die vom Druckeinleitkörper 6 über die ersten Elastomerkörper 44 auf den Druckkörper 4, über dessen Druckelemente 42 auf das Substrat 2 reicht und somit diese auf das Kühlbauteil 8 drückt, wodurch letztendlich die in den Leistungshalbleiterbauelementen 3 im Betrieb entstehende Wärme effizient auf das Kühlbauteil 8 abgeführt werden kann.By installing the power semiconductor module 1 on the cooling component 8th , where the pressure introduction body 5 firmly with the cooling component 8th is connected, becomes a print cascade 70 , 72 , 74 trained by the Druckeinleitkörper 6 over the first elastomer body 44 on the pressure hull 4th , about its printing elements 42 on the substrate 2nd enough and thus this on the cooling component 8th presses, which ultimately leads to the in the power semiconductor devices 3rd heat generated during operation efficiently on the cooling component 8th can be dissipated.

Zwischen dem Substrat 2 und dem Kühlbauteil 8 ist bei dieser Ausgestaltung noch eine wärmeleitende Schicht 800 angeordnet, die geringfügige Toleranzen in der jeweiligen Oberflächenbeschaffenheit der beiden Kontaktpartner ausgleicht.Between the substrate 2nd and the cooling component 8th is still a heat-conducting layer in this embodiment 800 arranged, which compensates for slight tolerances in the respective surface properties of the two contact partners.

2 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine konkrete Ausbildung eines Druckelements 4 analog der ersten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls. Der Druckkörper 4 weist einen Druckgrundkörper 40 und von diesem wegstehende Druckelemente 42 auf. Auf der diesen Druckelementen 42 abgewandten Seite, vgl. 1 weist der Druckgrundkörper 40 Ausnehmungen und in diesen Ausnehmungen jeweils erste Elastomerkörper 44 auf. Diese ersten Elastomerkörper 44 stehen aus den Ausnehmungen hervor und weisen eine Kontaktfläche 440 zu Druckeinleitung mittels eines Druckeinleitkörpers 6 auf. Weiterhin weist dieser Druckkörper 4 Aussparungen 406 zur Durchführung von Anschluss-, hier von Hilfsanschlusselementen, beispielhaft Steueranschlusselementen zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente, vgl. 1, auf. 2nd shows a three-dimensional view of a concrete design of a printing element 4th analogous to the first embodiment of the power semiconductor module. The pressure hull 4th has a pressure body 40 and printing elements protruding from it 42 on. On the these printing elements 42 opposite side, cf. 1 shows the pressure body 40 Recesses and in each of these recesses first elastomer body 44 on. These first elastomer bodies 44 protrude from the recesses and have a contact surface 440 for pressure introduction by means of a pressure introduction body 6 on. Furthermore, this pressure body 4th Recesses 406 for carrying out connection, here auxiliary connection elements, for example control connection elements for controlling the power semiconductor components, cf. 1 , on.

3 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Schnittansicht, entlang einer Linie A-A gemäß 4, eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Kühlbauteil 8, das Substrat 2 und in der grundsätzlichen Ausgestaltung auch der Druckeinleitkörper 6 entsprechen den entsprechenden Komponenten, wie sie in 1 dargestellt sind. 3rd shows schematically in a two-dimensional side sectional view, along a line AA according to 4th , a second embodiment of a power semiconductor module according to the invention 1 , as well as a cooling component 8th for arranging the power semiconductor module, whereby a power semiconductor arrangement according to the invention is formed. The cooling component 8th , the substrate 2nd and in the basic configuration also the pressure introduction body 6 correspond to the corresponding components as described in 1 are shown.

Zwischen dem Druckeinleitkörper 6 und dem Druckkörper 4, der hier auf seiner den Druckeinleitkörper 6 zugewandten Seite keinen ersten Elastomerkörper aufweist, sind hier zwei Federelemente 46 angeordnet, die hier jeweils als Stapel von metallischen Tellerfedern 460 ausgebildet sind. Selbstverständlich sind hier Mittel vorzusehen, die nicht dargestellt, aber notwendig sind diese Tellerfedern 460 in der jeweiligen Position zu fixieren und gleichzeitig eine Bewegung zu ermöglich. Dies kann beispielhaft mittels eines Dorns durch die Mittenausnehmungen der Tellerfedern erfolgen.Between the pressure introduction body 6 and the pressure body 4th who here on his the pressure introducer 6 facing side does not have a first elastomer body, here are two spring elements 46 arranged, each here as a stack of metallic disc springs 460 are trained. Of course, means must be provided here that are not shown, but these disc springs are necessary 460 to fix in the respective position and at the same time to enable movement. This can be done, for example, by means of a mandrel through the center recesses of the disc springs.

Der Druckkörper 4 dieser zweiten Ausgestaltung weist wiederum einen Druckgrundkörper 40 und von diesem in Normalenrichtung N des Substrats 2 wegstehende Druckelemente 42 auf. Der Druckkörper 4 mit dem Druckgrundkörper 40 und den Druckelementen 42 ist wiederum als starrer Kunststoffformkörper einstückig ausgebildet. An den jeweiligen Enden der Druckelemente 42 sind zweite Elastomerkörper 420 angeordnet. Diese können im Herstellungsprozess des Druckkörpers 40 direkt mit diesem ausgebildet werden. Diese zweiten Elastomerkörper 420 dienen vornehmlich der Kompensation von herstellungsbedingten Unterschieden insbesondere der Länge der Druckelemente 42. Insbesondere können diese zweiten Elastomerkörper 420 auch dem Ausgleich einer inhomogenen, an der Position der Federelemente 46 stärkeren, Druckeinleitung durch den Druckeileitkörper 6 auf den Druckkörper 4 dienen.The pressure hull 4th this second embodiment in turn has a pressure base 40 and from this in the normal direction N of the substrate 2nd protruding printing elements 42 on. The pressure hull 4th with the pressure body 40 and the printing elements 42 is in turn formed in one piece as a rigid plastic molded body. At the respective ends of the pressure elements 42 are second elastomer bodies 420 arranged. These can occur in the manufacturing process of the pressure hull 40 be trained directly with this. This second elastomer body 420 primarily serve to compensate for production-related differences, in particular the length of the printing elements 42 . In particular, these second elastomer bodies 420 also the compensation of an inhomogeneous, at the position of the spring elements 46 stronger, pressure introduction through the Druckeileitkörper 6 on the pressure hull 4th serve.

4 zeigt eine Ausbildung eines Substrats 2 der zweiten Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls. Dargestellt ist der isolierende Grundkörper 20 des Substrats 2 und drei hierauf angeordnete und voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen 22. Auf zwei dieser Leiterbahnen sind in einer 2 x 3 Matrix Leistungshalbleiterbauelemente 3 angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung eines Substrats 2 einer Halbbrückenschaltung ist durchaus fachüblich. 4th shows a formation of a substrate 2nd the second embodiment of the power semiconductor module. The insulating body is shown 20th of the substrate 2nd and three conductor tracks arranged thereon and electrically insulated from one another 22 . Power semiconductor components are in a 2 x 3 matrix on two of these conductor tracks 3rd arranged. Such a configuration of a substrate 2nd a half-bridge circuit is quite common.

Weiterhin dargestellt sind elektrische Lastanschlussflächen 250, 252, 254, die der elektrisch leitenden Verbindung der jeweiligen Leiterbahn 22 mit einem zugeordneten Lastanschlusselement 5, 50, vgl. 3, dienen. Die Leistungshalbleiterbauelemente 3 einer Leiterbahn 22 sind jeweils nebeneinander in einer Reihe angeordnet. In diese Reihe und jeweils auf beiden Seiten seitlich neben den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementen 3 sind Druckeinleitflächen 220 auf den jeweiligen Leiterbahnen 22 dargestellt. Auf diesen Druckeinleitflächen 220 kommen die zugeordneten Druckelemente 42, bzw. diesen zugeordnete zweite Elastomerkörper 420, des Druckkörpers 4 zu liegen und üben dort Druck in Normalenrichtung des Substrats 2 auf diese aus. Die jeweils zwischen zwei Leistungshalbleiterbauelementen 3 angeordneten Druckeinleitflächen 220 sind den jeweils benachbarten Leistungshalbleiterbauelementen 3 gemeinsam zugeordnet. Zwei weitere Druckeinleitflächen 220 sind auf einer Leiterbahn 22 angeordnet, die keine Leistungshalbleiterbauelemente trägt.Electrical load connection areas are also shown 250 , 252 , 254 that the electrically conductive connection of the respective conductor track 22 with an associated load connection element 5 , 50 , see. 3rd , serve. The power semiconductor components 3rd a conductor track 22 are arranged side by side in a row. In this row and on both sides next to the respective power semiconductor components 3rd are pressure introduction surfaces 220 on the respective conductor tracks 22 shown. On these pressure introduction surfaces 220 come the assigned pressure elements 42 , or this assigned second elastomer body 420 , the pressure hull 4th to lie and exert pressure there in the normal direction of the substrate 2nd out on this. Each between two power semiconductor components 3rd arranged pressure introduction surfaces 220 are the neighboring power semiconductor components 3rd assigned together. Two further pressure introduction surfaces 220 are on a track 22 arranged, which carries no power semiconductor components.

5 zeigt schematisch in dreidimensionaler Explosionsansicht einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls ohne einen Druckeinleitkörper. Dargestellt ist wiederum ein Substrat 2 mit drei elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 22, jeweils wiederum mit einer Lastanschlussfläche 250, 252, 254. Zwei der Leiterbahnen 22 tragen in Reihe angeordnete Zweiergruppen, gebildet aus einem Transistor und einer Diode, von Leistungshalbleiterbauelementen 3. Somit sind die Leistungshalbleiterbauelemente 3 hier in einer 5 x 4-Matrixstruktur angeordnete. 5 shows schematically in a three-dimensional exploded view of a third embodiment of a power semiconductor module according to the invention without a pressure introduction body. A substrate is again shown 2nd with three electrically insulated conductor tracks 22 , each with a load connection surface 250 , 252 , 254 . Two of the traces 22 carry groups of two arranged in series, formed from a transistor and a diode, of power semiconductor components 3rd . The power semiconductor components are thus 3rd here arranged in a 5 x 4 matrix structure.

Weiterhin dargestellt sind die Druckeinleitflächen 220 die wiederum auf den Leiterbahnen 22 des Substrats 2 angeordnet sind. Hierbei sind den Druckeinleitflächen 220 der mit Leistungshalbleiterbauelementen 3 bestückten Leiterbahnen 22 jeweils vier Leistungshalbleiterbauelemente 3 zugeordnet.The pressure introduction surfaces are also shown 220 which in turn on the conductor tracks 22 of the substrate 2nd are arranged. Here are the pressure introduction surfaces 220 the one with power semiconductor components 3rd assembled conductor tracks 22 four power semiconductor components each 3rd assigned.

Weiterhin dargestellt ist ein im Grunde starrer Druckkörper 4 mit einer Mehrzahl von Druckelementen 42. Dieser Druckkörper 4 weist zwei einstückig mit dem Druckkörper ausgebildete Druckvermittlungselemente 408 auf. Auf diese Druckvermittlungselemente 408 wird mittels jeweils einer Schraubenfeder 462 Druck eingeleitet. Diese Druckvermittlungselemente 408 sind derart mit dem Druckgrundkörper 40 verbunden, dass der Druck an zwei Druckvermittlungsstellen 410 auf den Druckgrundkörper 40 eingeleitet wird. Somit wird insgesamt die Druckeinleitung mittels des Druckkörpers 4 und dessen Druckelementen 42 auf das Substrat 2 möglichst homogen ausgebildet.A basically rigid pressure body is also shown 4th with a plurality of printing elements 42 . This pressure hull 4th has two pressure-transmitting elements formed in one piece with the pressure body 408 on. On these pressure mediation elements 408 is by means of a coil spring 462 Pressure initiated. These pressure mediators 408 are like this with the pressure body 40 connected that the pressure at two pressure exchanges 410 on the printing body 40 is initiated. Thus, the total pressure introduction by means of the pressure body 4th and its printing elements 42 on the substrate 2nd trained as homogeneously as possible.

Die Druckübertragung vom nicht dargestellten Druckeinleitkörper erfolgt mittels Federelementen 46, die hier als Schraubenfedern ausgebildet sind. Weiterhin sind Anschlusselement, hier Hilfsanschlusselemente, ausgebildet als Kontaktfedern, dargestellt.The pressure transmission from the pressure introduction body, not shown, takes place by means of spring elements 46 , which are designed here as coil springs. Connection elements, here auxiliary connection elements, designed as contact springs, are also shown.

Diese Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls weist weiterhin einen Führungsrahmen 62 auf. Dieser weist Positionierelemente zu seiner Lagefixierung auf einem Kühlbauteil auf und dient im Übrigen der Führung des Druckkörpers 4. Der Druckkörper 4 kann sich in dem Führungsrahmen 62 in Normalenrichtung N des Substrats 2 und nur minimal orthogonal hierzu bewegen Die Funktion des Führungsrahmens 62 kann in anderen Ausgestaltungen des Leistungshalbleitermoduls beispielhaft auch durch den Druckeinleitkörper erfolgen.This configuration of the power semiconductor module also has a guide frame 62 on. This has positioning elements to fix its position on a cooling component and is also used to guide the pressure body 4th . The pressure hull 4th can be in the lead frame 62 in the normal direction N of the substrate 2nd and move only minimally orthogonally to it The function of the guide frame 62 In other configurations of the power semiconductor module, this can also be done, for example, by the pressure introduction body.

6 zeigt schematisch in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Diese ähnelt demjenigen gemäß der dritten Ausgestaltung, weist allerdings noch ein Haltemittel 48 für die Federelemente 46, die hier wiederum als Schraubenfedern 462 ausgebildet sind, auf. Hierbei sind zwei Federelemente 46 zur Druckeinleitung auf den Druckkörper 4 an dem Haltemittel 48 mechanisch, hier mittels eine Schnappeinrichtung, fixiert. An dem Haltemittel 48 können, wie hier dargestellt, auch weitere Federelemente angeordnet sein, die beispielhaft Druck auf Lastanschlusselemente 50, 52, 54 ausüben, um diese gegen Lastanschlussflächen, vgl. 5, des Substrats 2 zu drücken. 6 schematically shows in a three-dimensional view essential parts of a fourth embodiment of a power semiconductor module according to the invention. This is similar to that according to the third embodiment, but still has a holding means 48 for the spring elements 46 which in turn are called coil springs 462 are trained on. Here are two spring elements 46 to initiate pressure on the pressure body 4th on the holding means 48 mechanically, here by means of a snap device. On the holding device 48 As shown here, further spring elements can also be arranged, which, for example, exert pressure on load connection elements 50 , 52 , 54 exercise this against load connection surfaces, cf. 5 , the substrate 2nd to press.

7 zeigt in dreidimensionaler Ansicht, aus Richtung des Substrats, eine konkrete Ausbildung einer weiteren Ausgestaltung eines Druckkörpers 4. Dieser Druckkörper 4 weist, gegenüber dem in 5 dargestellten, Druckelemente 42 auf, die gegenüber dem Druckgrundkörper 40 beweglich sind. Diese Beweglichkeit, die im Wesentlichen in Normalenrichtung des Substrats gegeben ist, wird erreicht, indem der Druckgrundkörper 40 Freisparungen 404 aufweist, in die Zungen 402 mit daran angeordneten Druckelementen 42 hineinreichen. 7 shows a three-dimensional view, from the direction of the substrate, a specific embodiment of a further embodiment of a pressure body 4th . This pressure hull 4th points towards the in 5 illustrated, printing elements 42 on that opposite the pressure body 40 are mobile. This mobility, which is essentially given in the normal direction of the substrate, is achieved by the pressure base body 40 Exemptions 404 has in the tongues 402 with pressure elements arranged on it 42 reach in.

In dieser Ausführungsform ist jeweils eine Zunge 402 einem Druckelement 42 zugeordnet, es könnten aber auch weiter bevorzugt zwei oder drei Zungen je Druckelement sein. Über die Querschnittsfläche, wie auch über die Länge, der jeweiligen Zunge kann zudem die Federkraft dieser Zunge eingestellt werden. So können beispielhaft die Zungen im Zentrum eine geringere Federkraft aufweisen als diejenigen im Randbereich des Druckköpers.In this embodiment there is one tongue each 402 a pressure element 42 assigned, but it could also be more preferred two or three tongues per pressure element. The spring force of this tongue can also be adjusted via the cross-sectional area and the length of the respective tongue. For example, the tongues in the center can have a lower spring force than those in the edge area of the pressure body.

8 zeigt schematisch in zweidimensionaler seitlicher Schnittansicht, entlang einer Linie B gemäß 9, eine fünfte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 1, sowie ein Kühlbauteil 8 zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls, wodurch eine erfindungsgemäße Leistungshalbleiteranordnung ausgebildet wird. Das Kühlbauteil 8, das Substrat 2 und der Druckeinleitkörper 6 entsprechen in wesentlichen Merkmalen denjenigen gemäß 1 und 3. 8th shows schematically in a two-dimensional side sectional view, along a line B according to 9 , a fifth embodiment of a power semiconductor module according to the invention 1 , as well as a cooling component 8th for arranging the power semiconductor module, whereby a power semiconductor arrangement according to the invention is formed. The cooling component 8th , the substrate 2nd and the pressure introduction body 6 correspond essentially to those according to 1 and 3rd .

Der Druckkörper 4 besteht hier allerdings aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff. Zudem ist der Druckkörper 4 hier mit einem Lastanschlusselement 5 einstückig ausgebildet. Derjenige Teil des Druckkörpers 4, der das Lastanschlusselement 5 ausbildet reicht in dieser Ausgestaltung durch eine von der Innen- zur Außenseite hindurchreichend Aussparungen zu externen Kontaktierung hindurch.The pressure hull 4th here, however, consists of an electrically conductive material. In addition, the pressure body 4th here with a load connection element 5 integrally formed. That part of the pressure hull 4th that the load connection element 5 trained in this embodiment extends through a recess extending from the inside to the outside for external contact.

Zwischen dem Druckeinleitkörper 6 und dem Druckkörper 4 ist hier wiederum ein erster Elastomerkörper 44 angeordnet. Diese erste, hier großflächig ausgebildete, Elastomerkörper 44 ist hier stoffschlüssig mit dem Druckkörper 4, genauer mit der dem Substrat 2 abgewandten Oberfläche des Druckgrundkörpers 40 verbunden.Between the pressure introduction body 6 and the pressure body 4th here again is a first elastomer body 44 arranged. This first, here large-area, elastomer body 44 is integral with the pressure body here 4th , more precisely with the substrate 2nd facing away surface of the printing body 40 connected.

Die Druckelemente 42 des Druckkörpers 4 drücken einerseits das Substrat 2 in dessen Normalenrichtung auf das Kühlbauteil 8 und bilden gleichzeitig die elektrischen Kontaktelemente des Lastanschlusselements 5 aus.The printing elements 42 of the pressure body 4th press the substrate on the one hand 2nd in its normal direction on the cooling component 8th and form at the same time the electrical contact elements of the load connection element 5 out.

9 zeigt eine Ausbildung eines Substrats 2 der fünften Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls mit Druckkörpern 4 gemäß 8. Das Substrat 2 mit den hierauf angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen 3 ist grundsätzlich identisch demjenigen Substrat 2 gemäß 4. Allerdings fallen bei dieser Ausgestaltung die Lastanschlussflächen 250 und die Druckeinleitflächen 220 zusammen. Die jeweiligen Druckelemente 42 drücken wie unter 8 bereits beschrieben auf diese Druckeinleitflächen 220 zur thermischen Verbindung des Substrats 2 mit einem Kühlbauteil und andererseits zur elektrischen Kontaktierung der jeweiligen Leiterbahn 22 des Substrats 2. Die senkrecht zur Normalenrichtung des Substrats 2 nebeneinander angeordneten Druckkörper 4 bilden also jeweils gleichzeitig mit der Druckfunktionalität auch die elektrische Verbindung zwischen einer zugeordneten Leiterbahn 22 und einem externen Lastanschluss aus. 9 shows a formation of a substrate 2nd the fifth embodiment of the power semiconductor module with pressure bodies 4th according to 8th . The substrate 2nd with the power semiconductor components arranged thereon 3rd is basically identical to that substrate 2nd according to 4th . In this configuration, however, the load connection areas fall 250 and the pressure introduction surfaces 220 together. The respective printing elements 42 press as below 8th already described on these pressure introduction surfaces 220 for thermal connection of the substrate 2nd with a cooling component and on the other hand for electrical contacting of the respective conductor track 22 of the substrate 2nd . The perpendicular to the normal direction of the substrate 2nd juxtaposed pressure body 4th form the electrical connection between an assigned conductor track at the same time as the printing functionality 22 and an external load connection.

10 zeigt in dreidimensionaler Ansicht wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiteranordnung 10. Dargestellt ist ein Kühlbauteil 8 auf dessen Kühlfläche drei Leistungshalbleitermodule 1, genauer deren Substrate 2, nebeneinander angeordnet sind. Dargestellt sind die Leistungshalbleitermodule 1 hier ohne Druckeinleiteinrichtung. Das Kühlbauteil 8 weist vier Kühlanschlusseinrichtungen für eine Kühlflüssigkeit auf, die fachüblich ausgebildet sind als jeweils ein Vorlaufzu-102 und ein Vorlaufabfluss 104 sowie als ein Rücklaufzu- 106 und ein Rücklaufabfluss 108. 10th shows in three-dimensional view essential parts of a power semiconductor arrangement according to the invention 10th . A cooling component is shown 8th three power semiconductor modules on its cooling surface 1 , more precisely their substrates 2nd , are arranged side by side. The power semiconductor modules are shown 1 here without pressure introduction device. The cooling component 8th has four cooling connection devices for a cooling liquid, which are designed in a manner customary in the art as a flow inlet and a flow outlet, respectively 104 as well as a return flow 106 and a return drain 108 .

11 zeigt in dreidimensionaler Explosionsansicht drei Leistungshalbleiteranordnungen 10 die ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitersystem 100 ausbilden. Die Leistungshalbleiteranordnungen 10 sind hier ausgebildet wie unter 10 beschrieben und weisen zusätzlich ein Gehäuse 60 aus einem Kunststoffformkörper auf, das hier gleichzeitig als Druckeinleiteinrichtung 6 wirkt. 11 shows a three-dimensional exploded view of three power semiconductor devices 10th the an inventive power semiconductor system 100 form. The power semiconductor devices 10th are trained here as below 10th described and additionally have a housing 60 from a molded plastic body, which is also used here as a pressure introduction device 6 works.

Durch das übereinander Stapeln der Leistungshalbleiteranordnungen 10 zum Leistungshalbleitersystem 100 kommt der Vorlaufzufluss 102 des über einer anderen Leistungshalbleiteranordnung angeordneten unmittelbar darunter angeordneten Leistungshalbleiteranordnung auf dem Vorlaufabfluss 104 dieser Leistungshalbleiteranordnung zu liegen. Gleiches gilt für die Rücklaufzu- 106 und Rücklaufabflüsse 108. Somit wird alleine durch die Anordnung der Leistungshalbleiteranordnungen 10 zum Leistungshalbleitersystem 100 auch die Kühlflüssigkeitsführung ausgebildet.By stacking the power semiconductor arrangements on top of one another 10th to the power semiconductor system 100 comes the flow 102 of the power semiconductor arrangement arranged directly below it on another flow semiconductor arrangement on the flow outlet 104 this power semiconductor arrangement to lie. The same applies to the return flow 106 and return drains 108 . Thus, the arrangement of the power semiconductor arrangements alone 10th to the power semiconductor system 100 also designed the coolant guide.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102012206264 A1 [0002]DE 102012206264 A1 [0002]

Claims (20)

Leistungshalbleitermodul (1), zur Anordnung auf einem Kühlbauteil (8), mit elektrischen Anschlusselementen (5), mit einem Substrat (2) zur Anordnung auf dem Kühlbauteil (8), mit einem Druckkörper (4) und mit einen Druckeinleitkörper (6), wobei das Substrat (2) einen Substratkörper (20) und eine Mehrzahl von Leiterbahn (22) aufweist, wobei auf mindestens einer dieser Leiterbahnen (22) ein Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, wobei der Druckkörper (4) einen Druckgrundkörper (40) und von diesem in Richtung auf das Substrat (2) wegstehende Druckelemente (42) aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind auf eine zugeordnete Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2), die in unmittelbarer Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauelement (3) angeordnet ist, Druck auf das Substrat (2) in Richtung auf das Kühlbauteil (8) auszuüben, wobei der Druck durch den Druckeinleitkörper (6) auf den Druckkörper (4) eingeleitet wird.Power semiconductor module (1), for arrangement on a cooling component (8), with electrical connection elements (5), with a substrate (2) for arrangement on the cooling component (8), with a pressure body (4) and with a pressure introduction body (6), wherein the substrate (2) has a substrate body (20) and a plurality of conductor tracks (22), a power semiconductor component (3) being arranged on at least one of these conductor tracks (22), wherein the pressure body (4) has a pressure base body (40) and pressure elements (42) protruding therefrom in the direction of the substrate (2), each of which is designed for this purpose on an associated pressure introduction surface (220) of the substrate (2), which in the immediate vicinity Proximity to the power semiconductor component (3) is arranged to exert pressure on the substrate (2) in the direction of the cooling component (8), the pressure being introduced through the pressure introduction body (6) onto the pressure body (4). Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei einer Druckeinleitfläche (220) mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente (3) zugeordnet sind.Power semiconductor module after Claim 1 At least two power semiconductor components (3) are assigned to a pressure introduction surface (220). Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2) auf dem Substratkörper (20) oder auf einer Leiterbahn (22) oder in einer Vertiefung der Leiterbahn (22) angeordnet ist.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the pressure introduction surface (220) of the substrate (2) on the substrate body (20) or on a conductor track (22) or in a recess of the conductor track (22) is arranged. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (3) auf einer Leiterbahn (22) und vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein a plurality of power semiconductor components (3) are arranged on a conductor track (22) and preferably in a row. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, wobei zwischen den in Reihe angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen (3) jeweils eine Druckeinleitfläche (220) angeordnet ist.Power semiconductor module after Claim 4 , A pressure introduction surface (220) being arranged between the power semiconductor components (3) arranged in series. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Leiterbahnen (22) parallel zueinander angeordnet sind und bei vorhanden sein einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (3) auf der jeweiligen Leiterbahn (22) diese in Reihen nebeneinander hierauf angeordnet sind, wodurch die Leistungshalbleiterbauelemente (3) in einer N x M Matrixstruktur angeordnet sind mit N > 1 und M > 1.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein a plurality of conductor tracks (22) are arranged parallel to one another and, if a plurality of power semiconductor components (3) are present on the respective conductor track (22), these are arranged in rows next to one another, whereby the power semiconductor components (3 ) are arranged in an N x M matrix structure with N> 1 and M> 1. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Druckkörper (4) samt Druckelementen (42) starr ausgebildet ist.Power semiconductor module according to one of the Claims 1 to 6 , wherein the pressure body (4) together with the pressure elements (42) is rigid. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Druckgrundkörper (40) des Druckkörpers (4) starr und mindestens eines der Druckelemente (42) in Normalenrichtung (N) des Substrats (2) beweglich oder federnd beweglich, ausgebildet ist.Power semiconductor module according to one of the Claims 1 to 6 A pressure base body (40) of the pressure body (4) is rigid and at least one of the pressure elements (42) is movable or resiliently movable in the normal direction (N) of the substrate (2). Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite des Druckkörpers (4) oder in Ausnehmungen auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite des Druckkörpers (4) und aus diesen Ausnehmungen hervorragend ein erster Elastomerkörper (44) angeordnet ist.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein on the side of the pressure body (4) facing away from the substrate (2) or in recesses on the side of the pressure body (4) facing away from the substrate (2) and a first elastomer body (44) outstandingly from these openings is arranged. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckelemente (42) an ihrer dem Substrat (2) zugewandten Seite oder in Ausnehmungen an ihrer dem Substrat (2) zugewandten Seite und aus diesen Ausnehmungen hervorragend jeweils einen zweiten Elastomerkörper (420) aufweisen, dessen dem Substrat (2) zugewandte Kontaktfläche auf die Druckeinleitfläche (220) des Substrats (2) Druck ausübt.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the pressure elements (42) on their side facing the substrate (2) or in recesses on their side facing the substrate (2) and out of these recesses each have a second elastomer body (420), the one of which Substrate (2) facing contact surface exerts pressure on the pressure introduction surface (220) of the substrate (2). Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (4) ein Druckvermittlungselement (408) aufweist, das dazu ausgebildet ist den Druck vom Druckeinleitkörper (6) aufzunehmen und auf eine Mehrzahl von Druckvermittlungsstellen (410) auf den Druckgrundkörper (40) weiterzuleiten.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the pressure body (4) has a pressure-transmitting element (408) which is designed to receive the pressure from the pressure-introducing body (6) and to transmit it to a plurality of pressure-switching points (410) on the pressure base body (40). Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Druckkörper (4) und dem Druckeinleitkörper (6) ein Federelement (46), vorzugsweise ein metallisches Federelement, vorzugsweise eine Schraubenfeder (462) oder ein Stapel aus Tellerfedern (460), angeordnet ist.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein a spring element (46), preferably a metallic spring element, preferably a coil spring (462) or a stack of disc springs (460), is arranged between the pressure body (4) and the pressure introduction body (6). Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12, wobei wobei das Federelement (46) in oder auf einem Haltemittel (48) angeordnet sind.Power semiconductor module after Claim 12 , wherein the spring element (46) is arranged in or on a holding means (48). Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, wobei wobei das Haltemittel (48) den Druck des Federelements (46) auf mindestens zwei Stellen des Druckgrundkörpers (40) weiterleitet.Power semiconductor module after Claim 13 , wherein the holding means (48) forwards the pressure of the spring element (46) to at least two locations on the pressure base body (40). Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkörper (4) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the pressure body (4) consists of an electrically insulating material. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils ein Druckkörper (4) von mehreren, vorzugsweise parallel zum Substrats nebeneinander angeordneten, Druckkörpern (4) und ein dem jeweiligen Druckkörper (4) zugeordnetes Lastanschlusselemente (50, 52, 54) einstückig ausgebildet sind und jeweils aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen.Power semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein a pressure body (4) of several pressure bodies (4), preferably arranged next to one another parallel to the substrate, and a load connection element (50, 52, 54) associated with the respective pressure body (4) are each formed in one piece and in each case consist of an electrically conductive material. Leistungshalbleiteranordnung mit einem Leistungshalbleitermodul 1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Kühlbauteil (8), wobei das Substrat (2) des Leistungshalbleitermoduls (1) auf dem Kühlbauteil (8) angeordnet ist, wobei der Druckeinleitkörper (6) mit dem Kühlbauteil (8) starr verbunden ist und in Richtung auf das Kühlbauteil (8) zu Druck auf den Druckgrundkörper (40) des Druckkörpers ausübt, der über die Druckelemente Druck auf die Druckeinleitflächen (220) des Substrats (2) ausübt und somit das Substrat (2) in seiner Normalenrichtung (N) thermisch leitend auf das Kühlbauteil (8) drückt. Power semiconductor arrangement with a power semiconductor module 1 according to one of the preceding claims and with a cooling component (8), the substrate (2) of the power semiconductor module (1) being arranged on the cooling component (8), the pressure introduction body (6) with the cooling component (8) is rigidly connected and in the direction of the cooling component (8) exerts pressure on the pressure base body (40) of the pressure body, which exerts pressure on the pressure introduction surfaces (220) of the substrate (2) via the pressure elements and thus the substrate (2) in it Normal direction (N) presses thermally conductive on the cooling component (8). Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 17, wobei die starre Verbindung zwischen dem Kühlbauteil (8) und dem Druckeinleitkörper (6) durch eine Schraubverbindung (80, 82) ausgebildet ist.Power semiconductor arrangement after Claim 17 The rigid connection between the cooling component (8) and the pressure introduction body (6) is formed by a screw connection (80, 82). Leistungshalbleitersystem mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiteranordnungen nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Leistungshalbleiteranordnungen (10) gestapelt übereinander angeordnet sind.Power semiconductor system with a plurality of power semiconductor arrangements Claim 17 or 18th , wherein the power semiconductor arrangements (10) are stacked one above the other. Leistungshalbleitersystem nach Anspruch 19, wobei jeweils benachbarte Leistungshalbleiteranordnungen (10) über Kühlmittelzu-(102, 106) und Kühlmittelabflüsse (104, 108) der jeweiligen Kühlbauteile (8), die als Flüssigkeitskühlbauteile ausgebildet sind, miteinander verbunden sind.Power semiconductor system according to Claim 19 , in each case adjacent power semiconductor arrangements (10) being connected to one another via coolant inflows (102, 106) and coolant outflows (104, 108) of the respective cooling components (8), which are designed as liquid cooling components.
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