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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühldose zur Kühlung druckkontaktierter elektronischer Bauelemente mit mindestens einem Stützelement. Das Stützelement ist in einem Volumen angeordnet, welches zwischen einer Kühldosenoberseite und einer Kühldosenunterseite ausgebildet ist.
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Elektronische Bauelemente eines Leistungsschalters sind beispielsweise als Halbleiterelemente ausgebildet. Solche Halbleiterelemente in der Leistungselektronik weisen zum Beispiel Schalter, Dioden, Transistoren oder Thyristoren auf. Solche Halbleiterelemente werden typischerweise aktiv gekühlt, um die beim Betrieb anfallende Wärme, auch Verlustwärme oder Abwärme genannt, abzuführen. Die aktive Kühlung der elektronischen Bauelemente kann beispielsweise mittels einer Kühldose erfolgen. Hierzu wird die Kühldose, die zur Kühlung der elektronischen Bauelemente vorgesehen ist, von einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser oder Öl, durchströmt. Das Kühlfluid nimmt die Wärme auf und gibt sie an die Umgebung ab.
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Bei druckkontaktierten elektronischen Bauelementen werden insbesondere Halbleiterbauelemente in Schichten übereinander angeordnet und durch mechanisches Verspannen druckkontaktiert. Für ein solches Halbleitermodul werden oberhalb und unterhalb des Bauelementestapels Druckplatten angeordnet, die durch mechanische Elemente, zum Beispiel Gewindestangen, zusammengepresst werden. Durch das Zusammenpressen erfolgt die Kontaktierung durch Druck von oben und unten auf die Bauelemente. Bei solchen druckkontaktierten Halbleitermodulen von Bauelementen, insbesondere Leistungshalbleiterbauelementen, kann eine Kühlung erfolgen, indem Kühldosen zwischen Bauelementen angeordnet werden, und zwischen ihnen verspannt werden.
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In
DE102017202756A1 wird eine Kühldose zur Kühlung elektrischer Bauelemente beschrieben, bei der Stützelemente so im Volumen der Kühldose angeordnet werden, dass die Umströmung durch das Kühlmittel optimiert wird und zugleich die mechanische Stabilität erhöht wird. Dadurch können die durch eine Verspannung der Bauelemente entstehenden Druckkräfte besser aufgenommen und kompensiert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühldose zur Kühlung druckkontaktierter elektronischer Bauelemente weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch eine Kühldose mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Eine Kühldose zur Kühlung druckkontaktierter elektronischer Bauelemente weist ein zwischen Kühldosenoberseite und Kühldosenunterseite ausgebildetes Volumen auf. Das Volumen kann von einem Kühlfluid durchflossen werden, über welches Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Zur Zu- und Abführung des Kühlfluids kann an der Kühldose ein Zufluss und ein Abfluss vorgesehen sein. Die Kühldose weist mindestens ein Stützelement auf, welches innerhalb des Volumens angeordnet ist. Das Stützelement erhöht die Festigkeit und Druckbeständigkeit der Kühldose, insbesondere in Richtung von der Kühldosenoberseite nach der Kühldosenunterseite und entgegengesetzt, also von der Kühldosenunterseite nach der Kühldosenoberseite. Das Stützelement selbst wird bevorzugt durch die Anordnung von Material, z. B. aus dem gleichen Material wie die Kühldose selbst, in dem Volumen der Kühldose gebildet.
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Zur Erhöhung der Druckfestigkeit einer Kühldose und zur Erhöhung ihrer Stabilität wird innerhalb des Volumens der Kühldose mindestens ein Stützelement angeordnet, welches in seiner Form an die Form der Bauelemente angepasst ist, die durch die Kühldose gekühlt werden. Das mindestens eine Stützelement wird außerdem bevorzugt so angeordnet, dass seine Lage in dem Volumen an die Position der Bauelemente angepasst ist, die gekühlt werden sollen. Die Kühldose dient damit als Druckausgleichsstück.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in dem Volumen der Kühldose sogenannte Kühlschlangen installiert. Kühlschlangen sind von dem Kühlfluid durchflossene Schläuche, Bevorzugt sind die Kühlschlangen so angeordnet, dass das Stützelement um sie herum angeordnet ist. Die Kühlschlangen können zusätzlich oder stattdessen auch um das Stützelement herum angeordnet werden.
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Druckkontaktierte elektronische Bauelemente werden zu ihrer elektrischen Kontaktierung von oben und unten durch Druck mechanisch verspannt. Zu ihrer Kühlung kann zwischen jeweils zwei Bauelementen eine Kühldose eingefügt werden, welche ebenfalls mechanisch mit den Bauelementen mit verspannt wird. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit einer Kühldose und zur Erhöhung ihrer Stabilität wird innerhalb des Volumens der Kühldose mindestens ein Stützelement angeordnet, welches in seiner Form an die Form der Bauelemente angepasst ist, zwischen denen sie angeordnet ist. Die Form der Bauelemente, zwischen denen die Kühldose verspannt wird, wird also bereits während des Designs der Kühldose berücksichtigt. Hierdurch wird die Stabilität der Kühldose weiter erhöht, und somit sichergestellt, dass Druck, der auf die Oberseite und die Unterseite der Kühldose ausgeübt wird, durch das mindestens eine Stützelement verbessert aufgenommen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung haben das erste und das zweite elektronische Bauelemente, zwischen denen die Kühldose angeordnet ist, unterschiedliche Größen. Bei der Herstellung der Kühldose wird also bereits berücksichtigt, zwischen welchen elektronischen Bauelementen mit welcher Größe die Kühldose angeordnet werden soll. Hierdurch wird bei der Herstellung des Halbleitermoduls dann die Stabilität des Stapels insgesamt verbessert, weil die Kühldose und deren Stabilität optimal auf die Größe der Bauelemente, die dann Druck auf die Kühldose ausüben, abgestimmt ist. Besonders vorteilhaft können hierdurch druckkontaktierte Halbleiter mit unterschiedlicher aktiver Fläche zusammen im Spannverband verspannt werden. Es können auch Halbleiter mit größerer Fläche mit Halbleitern mit kleinerer Fläche kontaktiert werden. Es wird vermieden, dass Halbleiter mit größerer Fläche wegen der Druckeinleitung über die Halbleiter mit kleinerer Fläche nicht ganz flächig gedrückt und kontaktiert werden. Probleme durch unterschiedliche thermische und elektrische Widerstände, insbesondere bei Multichiphalbleitern und durch Abkanteffekte werden vermieden.
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Druckkontaktierte elektronische Leistungshalbleiterbauelemente liegen oft in Scheibenform mit im wesentlichen kreisförmigen Umfang vor. Typische Größen sind zum Beispiel Scheiben von 5 Zoll oder 4 Zoll Durchmesser, Realisierte Halbleiterelemente sind zum Beispiel Press Pack IGBT (PPI) oder Free Wheeling Dioden (FWD). Für solche scheibenförmigen Bauelemente mit im Wesentlichen kreisförmig Umfang ist das Stützelement bevorzugt als Ring oder Ringabschnitt ausgebildet.
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Dabei ist der innere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts bevorzugt kleiner als der Durchmesser des kleineren scheibenförmigen Bauelements und der äußere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts ist bevorzugt größer als der Durchmesser des größeren scheibenförmigen Bauelements. Hierdurch wird eine vorteilhafte Stützwirkung für beide Bauelemente gewährleistet. Die erforderliche Dicke des Ringes in radialer Richtung hängt vom Durchmesser- und den Durchmesserunterschieden der verbauten Bauelemente, z. B. Press-Packs, ab. Der innere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts beträgt zum Beispiel zwischen 8 cm und 11 cm. Wenn als kleineres Bauelement eine Scheibe von 4 Zoll Durchmesser gekühlt werden soll, beträgt der innere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts zum Beispiel ein bisschen weniger als 4 Zoll, z. B. 3,8 Zoll oder zwischen ca. 9,5 cm und ca. 10 cm. Der äußere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts beträgt zum Beispiel zwischen 10 cm und 15 cm. Wenn als größeres Bauelement eine Scheibe von 5 Zoll Durchmesser gekühlt werden soll, beträgt der äußere Durchmesser des Rings oder Ringabschnitts zum Beispiel ein bisschen mehr als 5 Zoll, z. B. 5,25 Zoll oder zwischen ca. 13 cm und ca. 13,5 cm. Die Dicke des Ringes oder Ringabschnittes beträgt z. B. zwischen 1 cm und 5 cm, bevorzugt zwischen 2 cm und 3 cm.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des Stützelements größer oder gleich der Differenz des Durchmessers von den beiden elektronischen Bauelementen, zwischen denen die Kühldose angeordnet ist. Die Höhe des Stützelements ist dabei mindestens 0,5 cm, bevorzugt mindestens 1 cm.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Es zeigen schematisch:
- 1 Eine Ansicht von oben auf eine Kühldose;
- 2 eine Ansicht von der Seite auf ein Halbleitermodul mit Kühldose.
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1 zeigt eine Ansicht von oben auf eine Kühldose 10. Die Kühldose 10 weist ein ringförmiges Stützelement 12 auf. Das Stützelement 12 dient zur Druckverteilung bei der Montage der Kühldose 10 mit elektronischen Bauelementen 26, 28. Das Stützelement 12 besteht aus Material, das die Stützwirkung der Kühldose 10 erhöht. Hierfür wird Druck über das Stützelement 12 vom kleinen Bauelement 26 zum großen Bauelement 28 verteilt. Bei dem kleinen Bauelement 26 kann es sich beispielsweise um ein kleines Halbleiterbauelement mit im wesentlichen kreisförmiger Scheibenform handeln oder um eine Scheibe mit im wesentlichen kreisförmiger Chipanordnungsfläche. Bei dem großen Bauelement 28 kann es sich beispielsweise um ein größeres Halbleiterbauelemente mit im wesentlichen kreisförmiger Scheibenform handeln oder um eine Scheibe mit im wesentlichen kreisförmiger Chipanordnungsfläche. Die im wesentlichen kreisförmige Chipanordnungsfläche ist dabei bei dem kleinen Bauelements 26 kleiner als bei dem großen Bauelement 28.
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Im Inneren 16 des Stützelementes 12 können beispielsweise die Kühlschlangen verlegt werden, durch die das Kühlfluid fließt. Es ist ebenfalls möglich das Kühlfluid direkt im Inneren 16 Stützelementes12 fließen zu lassen. Dem Zufluss und Abfluss dienende Anschlüsse für das Fluid sind in 1 nicht dargestellt. Im äußeren Bereich 14 der Kühldose 10, der sich außerhalb des Stützelements 12 befindet, können nach Bedarf ebenfalls Kühlschlangen verlegt werden. Die Stützwirkung des Stützelements 12 sollte durch die verlegten Kühlschlangen nicht beeinträchtigt werden.
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In 2 ist eine Ansicht von der Seite auf ein Halbleitermodul 20, in Form eines druckkontaktierten Halbleiterstapels, dargestellt. Die mechanische Verspannung des Halbleiterstapels 20 erfolgt über eine obere Druckplatte 22 und eine untere Druckplatte 24. Die mechanische Verspannung der oberen Druckplatte 22 und der unteren Druckplatte 24 kann beispielsweise über Gewindestangen (in 2 nicht dargestellt) erreicht werden.
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Zu sehen ist, dass die Größe des Stützelements 12 auf die Größe der Halbleiterbauelemente 26, 28 abgestimmt ist, um die Druckverteilung gemäß den Anforderungen zu optimieren. Dies ermöglicht die Realisierung eines kompakten Aufbaus, welches insbesondere bei druckkontaktierten Halbleitern, z. B. PPI, PPSiC, vorteilhaft ist.
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Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühldose
- 12
- Stützelement
- 14
- Außenvolumen
- 16
- Innenvolumen
- 20
- Halbleitermodul
- 22
- obere Druckplatte
- 24
- untere Druckplatte
- 26
- erstes Halbleiterbauelemente
- 28
- zweites Halbleiterbauelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017202756 A1 [0004]
