DE102021115926B3 - Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls - Google Patents

Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls, mit einer Druckplatte, mit einem aus einem elastischen Material ausgebildeten Drucknoppenelement, das eine Drucknoppenplatte und von dieser hervorstehende Drucknoppen aufweist, und mit einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Drucknoppenelements, die eine mit Ausnehmungen versehende Basisplatte aufweist, wobei die Ausnehmungen durch die Basisplatte hindurch verlaufen, wobei die Drucknoppenplatte auf der Basisplatte angeordnet ist und die Drucknoppen durch die Ausnehmungen hindurchverlaufen und auf der der Drucknoppenplatte abgewandten Hauptseite der Basisplatte über diese Hauptseite der Basisplatte hinausstehen, wobei die Drucknoppenplatte zwischen der Druckplatte und der Basisplatte angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Aus der DE 10 2016 123 697 A1 ist eine Druckeinrichtung zur Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls, mit einer Druckplatte und mit einem aus einem elastischen Material ausgebildeten Drucknoppenelement, das eine Drucknoppenplatte und von dieser hervorstehende Drucknoppen aufweist, bekannt. Nachteilig dabei ist, dass die Drucknoppen, da sie aus einem elastischem Material ausgebildet sind, sich bei Druckeinwirkung in lateraler Richtung verformen können und somit die Höhe des Drucks, welcher von der Druckplatte über die Drucknoppen übertagen werden kann, sehr begrenzt ist.
  • Die DE 10 2017 107 117 B3 offenbart ein Leistungshalbleitermodul, das ausgebildet ist mit einem Gehäuse, mit einer Schalteinrichtung, mit einem in dem Gehäuse angeordneten Substrat, mit einer Verbindungseinrichtung, mit Anschlusseinrichtungen und mit einer in Normalenrichtung des Substrats beweglichen und im Gehäuse angeordneten Druckeinrichtung, wobei das Substrat gegeneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen aufweist, wobei auf einer Leiterbahn ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung mittels der Verbindungseinrichtung intern schaltungsgerecht verbunden ist, wobei die Druckeinrichtung einen starren Grundkörper sowie einen ersten elastischen Druckkörper und einen zweiten elastischen Druckkörper aufweist, wobei der erste elastische Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats weg von dem Substrat aus dem Grundkörper herausragt und wobei der zweite elastische Druckkörper in Normalenrichtung des Substrats hin auf das Substrat aus dem Grundkörper herausragt, wobei der erste elastische Druckkörper und der zweite elastische Druckkörper einstückig ausgebildet sind und wobei das Gehäuse Befestigungseinrichtungen zur Anordnung des Leistungshalbleitermoduls auf einer Kühleinrichtung aufweist.
  • Die DE 10 2016 123 697 A1 offenbart eine Druckeinrichtung für eine leistungselektronische Schalteinrichtung, die ausgebildet ist mit einem flächig ausgedehnten starren Grundkörper und einem elastisch verformbaren Elastomerkörper, wobei der Grundkörper und der Elastomerkörper kraft- oder formschlüssig und reversibel miteinander verbunden sind und wobei der Elastomerkörper eine Mehrzahl von Druckkörpern aufweist. Weiterhin werden zwei leistungselektronische Schalteinrichtungen und eine Anordnung mit einer derartigen Druckeinrichtung vorgestellt.
  • Weiterhin wird an eine solche Druckeinrichtung die Anforderung gestellt, dass diese rationell herstellbar ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung eine rationell herstellbare Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls zu schaffen, die die Einleitung eines hohen Drucks auf die Leistungshalbleiterbauelemente ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente eines Leistungshalbleitermoduls, mit einer Druckplatte, mit einem aus einem elastischen Material ausgebildeten Drucknoppenelement, das eine Drucknoppenplatte und von dieser hervorstehende Drucknoppen aufweist, und mit einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Drucknoppenelements, die eine mit Ausnehmungen versehene Basisplatte aufweist, wobei die Ausnehmungen durch die Basisplatte hindurch verlaufen, wobei die Drucknoppenplatte auf der Basisplatte angeordnet ist und die Drucknoppen durch die Ausnehmungen hindurchverlaufen und auf der der Drucknoppenplatte abgewandten Hauptseite der Basisplatte über diese Hauptseite der Basisplatte hinausstehen, wobei die Drucknoppenplatte zwischen der Druckplatte und der Basisplatte angeordnet ist wobei die Aufnahmeeinrichtung einen an einem lateralen Randbereich der Basisplatte angeordneten, um ein Zentrum der Basisplatte zumindest abschnittsweise herum verlaufendes, von der Basisplatte in Richtung der Druckplatte hervorstehendes Randelement aufweist, wobei das Randelement die Drucknoppenplatte lateral umläuft. Durch das Randelement wird die laterale Bewegungsmöglichkeit der Drucknoppenplatte begrenzt.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen der Druckplatte und dem Randelement ein Spalt ausgebildet ist und ein von der Drucknoppenplatte hervorstehendes Randbereichselement des Drucknoppenelements im Spalt angeordnet ist, wobei das Randbereichselement in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung der Druckplatte gegen die Druckplatte drückt. Die Druckplatte ist hierdurch mit dem Drucknoppenelement kraftschlüssig verbunden.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Aufnahmeeinrichtung ein Hakenelement aufweist, das in Normalenrichtung der Druckplatte, in Richtung weg von der Basisplatte, eine Bewegung der Druckplatte durch Formschluss mit der Druckplatte begrenzt. Hierdurch bilden die Druckplatte, die Drucknoppenplatte und die Aufnahmeeinrichtung zusammen eine bauliche Einheit aus. Die Druckeinrichtung liegt somit in Form einer baulichen Einheit vor.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Aufnahmeeinrichtung ein Druckelement aufweist, wobei im Randbereich der Drucknoppenplatte das Drucknoppenelement eine von der Drucknoppenplatte in Richtung weg von der Basisplatte hervorstehende Lasche aufweist, wobei zumindest ein Teil der Lasche zwischen dem Druckelement und der Druckplatte angeordnet ist. Hierdurch bilden die Druckplatte, die Drucknoppenplatte und die Aufnahmeeinrichtung zusammen eine bauliche Einheit aus. Die Druckeinrichtung liegt somit in Form einer baulichen Einheit vor.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Abschnitt der Lasche einen mechanischen Kontakt mit einer der Basisplatte abgewandten Hauptseite der Druckplatte aufweist. Hierdurch wird eine Bewegung des Drucknoppenelements in Richtung weg von der Basisplatte zuverlässig begrenzt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Druckplatte eine durch sie hindurchgehende Druckplattenöffnung, die Drucknoppenplatte eine durch sie hindurchgehende Drucknoppenplattenöffnung und die Basisplatte eine durch sie hindurchgehende Basisplattenöffnung aufweisen, wobei die Druckplattenöffnung, die Drucknoppenplattenöffnung und die Basisplattenöffnung in Normalenrichtung der Druckplatte zueinander fluchtend angeordnet sind. Hierdurch wird eine einfache Montage der Druckeinrichtung in einem Leistungshalbleitermodul ermöglicht.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Aufnahmeeinrichtung ein die Basisplattenöffnung umlaufendes, von der Basisplatte in Richtung der Druckplattenöffnung hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Basisplattenöffnungselement aufweist, wobei ein Teil des Basisplattenöffnungselements in der Druckplattenöffnung angeordnet ist. Hierdurch wird eine genaue Positionierung der Druckplatte im Bezug zur Aufnahmeeinrichtung erzielt.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine die Basisplattenöffnung begrenzende Innenwandfläche des Basisplattenöffnungselements derartig ausgebildet ist, dass sich die Basisplattenöffnung in Richtung der Druckplatte verkleinert. Hierdurch wird eine einfache mechanisch sehr stabile positionsgenaue Montage der Druckeinrichtung in einem Leistungshalbleitermodul ermöglicht. Hierdurch wird vermieden, dass die Druckeinrichtung bei einer mechanischen Schwingungsbelastung, welche auf das Leistungshalbleitermodul einwirkt, unabhängig von den übrigen Elementen des Leistungshalbleitermoduls schwingt.
  • Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Drucknoppenelement ein die Drucknoppenplattenöffnung umlaufendes, von der Drucknoppenplatte hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Drucknoppenplattenöffnungselement aufweist, wobei ein Teil des Drucknoppenplattenöffnungselements in der Druckplattenöffnung und/oder in der Basisplattenöffnung angeordnet ist. Hierdurch wird eine genaue Positionierung des Drucknoppenelements im Bezug zur Druckplatte und/oder zur Aufnahmeeinrichtung erzielt.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine die Drucknoppenplattenöffnung begrenzende Innenwandfläche des Drucknoppenplattenöffnungselements derartig ausgebildet ist, dass sich die Drucknoppenplattenöffnung in Richtung der Druckplatte verkleinert. Hierdurch wird eine einfache mechanisch sehr stabile positionsgenaue Montage der Druckeinrichtung in einem Leistungshalbleitermodul ermöglicht. Hierdurch wird vermieden, dass die Druckeinrichtung bei einer mechanischen Schwingungsbelastung, welche auf das Leistungshalbleitermodul einwirkt, unabhängig von den übrigen Elementen des Leistungshalbleitermoduls schwingt.
  • Weiterhin erweist sich ein Leistungshalbleitermodul mit einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung und mit einem Substrat auf dem Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und mit dem Substrat elektrisch leitend kontaktiert sind, wobei zumindest ein Teil der Drucknoppen zu den Leistungshalbleiterbauelementen fluchtend oberhalb der Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente zwischen den betreffenden Drucknoppen und dem Substrat angeordnet sind, wobei die betreffenden Drucknoppen dazu ausgebildet sind, einen in Richtung auf das Substrat zu wirkenden Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente mittelbar oder unmittelbar auszuüben, als vorteilhaft.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul ein Rahmenelement mit einer in Richtung auf die Druckeinrichtung zu verlaufenden Hülse aufweist, wobei ein Teil der Hülse in der Basisplattenöffnung angeordnet ist. Hierdurch wird eine genaue Positionierung der Druckeinrichtung, insbesondere der Aufnahmeeinrichtung, im Bezug zum Rahmenelement erzielt.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Teil der Hülse in der Drucknoppenplattenöffnung angeordnet ist. Hierdurch wird eine genaue Positionierung der Druckeinrichtung, insbesondere des Drucknoppenelements, im Bezug zum Rahmenelement erzielt.
  • Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Durchmesser eines mit der Druckeinrichtung einen mechanischen Kontakt aufweisenden Abschnitts einer Außenwand der Hülse sich in Richtung weg vom Substrat verkleinert. Hierdurch wird eine einfache mechanisch sehr stabile positionsgenaue Montage der Druckeinrichtung in einem Leistungshalbleitermodul ermöglicht. Hierdurch wird vermieden, dass die Druckeinrichtung bei einer mechanischen Schwingungsbelastung, welche auf das Leistungshalbleitermodul einwirkt, unabhängig von den übrigen Elementen des Leistungshalbleitermoduls schwingt.
  • Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, wenn das Leistungshalbleitermodul eine Druckerzeugungseinrichtung aufweist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Druckeinrichtung in Richtung auf das Substrat zu zudrücken. Hierdurch weist das Leistungshalbleitermodul eine eigene Druckerzeugungseinrichtung auf.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, falls die Druckplatte eine durch sie hindurchgehende Druckplattenöffnung, die Drucknoppenplatte eine durch sie hindurchgehende Drucknoppenplattenöffnung und die Basisplatte eine durch sie hindurchgehende Basisplattenöffnung aufweisen, wobei die Druckplattenöffnung, die Drucknoppenplattenöffnung und die Basisplattenöffnung in Normalenrichtung (N) der Druckplatte zueinander fluchtet angeordnet sind, wenn die Druckerzeugungseinrichtung eine durch die Druckplattenöffnung, durch die Drucknoppenplattenöffnung, durch die Basisplattenöffnung und durch eine Öffnung des Substrats hindurchgehende Schraube und ein Federelement aufweist, wobei die Schraube dazu ausgebildet ist über das Federelement die Druckeinrichtung in Richtung auf das Substrat zu zudrücken. Hierdurch ist die Druckerzeugungseinrichtung besonders einfach und zuverlässig ausgebildet.
  • Weiterhin erweist sich eine leistungselektronische Anordnung mit einem solchen Leistungshalbleitermodul und mit einer Grundplatte, auf der das Substrat angeordnet ist, wobei die Grundplatte Bestandteil eines Kühlkörpers ist oder zur Anordnung auf einem Kühlkörper vorgesehen ist, als vorteilhaft.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1 eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 2 ein Drucknoppenelement der ersten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung, wobei das Drucknoppenelement gegenüber 1 um 180° gedreht dargestellt ist,
    • 3 eine perspektivische Schnittansicht der ersten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 4 eine perspektivische weitere Schnittansicht der ersten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 5 eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 6 eine perspektivische Darstellung der zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einem noch nicht fertig hergestellten Zustand,
    • 7 eine perspektivische Schnittansicht der zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 8 eine perspektivische weitere Schnittansicht der zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 9 eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 10 eine perspektivische Schnittansicht der dritten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 11 eine perspektivische weitere Schnittansicht der dritten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung,
    • 12 eine Explosionsdarstellung eines Leistungshalbleitermoduls mit einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung, wobei eine Druckerzeugungseinrichtung des Leistungshalbleitermoduls nicht dargestellt ist,
    • 13 eine perspektivische Schnittansicht einer leistungselektronischen Anordnung und
    • 14 eine Schnittansicht eines Bereichs A von 13.
  • In 1 ist eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 1 dargestellt. In 2 ist ein Drucknoppenelement 3 der Druckeinrichtung 1 dargestellt, wobei das Drucknoppenelement 1 gegenüber 1 um 180° gedreht dargestellt ist. In 3 und 4 sind perspektivische Schnittansichten der Druckeinrichtung 1 dargestellt.
  • Es sei angemerkt, dass die bei einem der Ausführungsbeispiele genannten vorteilhaften Elemente bzw. vorteilhaften Ausbildungen und Ausbildungsvarianten auch bei einem anderen der genannten Ausführungsbeispiele soweit dies möglich ist, realisiert sein können. Weiterhin können bei der Erfindung auch Mischformen zwischen den Ausführungsbeispielen realisiert sein. Um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden sind vorteilhafte Elemente bzw. vorteilhafte Ausbildungen und Ausbildungsvarianten zum Teil nur bei einem der Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Druckeinrichtung 1 weist eine vorzugsweise aus einem Metall ausgebildete Druckplatte auf und ein aus einem elastischen Material, wie z.B. einem Elastomer, insbesondere aus einem vernetzten Silikonkautschuk, ausgebildetes Drucknoppenelement 3 auf, das eine Drucknoppenplatte 3a und von dieser hervorstehende Drucknoppen 3b aufweist. Das Drucknoppenelement 3 ist bei allen Ausführungsbeispielen einstückig ausgebildet.
  • Die Druckeinrichtung 1 weist weiterhin eine Aufnahmeeinrichtung 4 zur Aufnahme des Drucknoppenelements 3 auf, die eine mit Ausnehmungen 4b versehene Basisplatte 4a aufweist, wobei die Ausnehmungen 4b durch die Basisplatte 4a hindurch verlaufen.
  • Die Drucknoppenplatte 3a ist auf der Basisplatte 4a angeordnet. Die Drucknoppen 3b verlaufen durch die Ausnehmungen 4b hindurch und stehen auf der der Drucknoppenplatte 3a abgewandten Hauptseite 4aa der Basisplatte 4a über diese Hauptseite 4aa der Basisplatte 4a hinaus, wobei die Drucknoppenplatte 3a zwischen der Druckplatte 2 und der Basisplatte 4a angeordnet ist. Das Drucknoppenelement 3 ist bei allen Ausführungsbeispielen mit der Druckplatte 2 und mit der Aufnahmeeinrichtung 4 nicht stoffschlüssig verbunden. Das Drucknoppenelement 3 kann bei allen Ausführungsbeispielen aber auch mit der Druckplatte 2 und/oder mit der Aufnahmeeinrichtung 4 stoffschlüssig, z.B. mittels einer Klebeverbindung, verbunden sein. Das Drucknoppenelement 3 kann im Sinne der Erfindung mit der Druckplatte 2 und/oder mit der Aufnahmeeinrichtung 4 stoffschlüssig verbunden sein, indem das Drucknoppenelement 3 spritztechnisch mit der Druckplatte 2 und/oder mit der Aufnahmeeinrichtung 4 verbunden ist.
  • Dadurch, dass die Drucknoppen 3b durch die Ausnehmungen 4b hindurch verlaufen, werden die Drucknoppen 3b in Normalenrichtung N der Druckplatte 3 durch die Aufnahmeeinrichtung 4 mechanisch geführt bzw. stabilisiert, so dass die Drucknoppen 3b in Normalenrichtung N der Druckplatte 3 eine hohe Druckkraft übertragen können. Die Druckeinrichtung 1 kann rationell hergestellt werden, dazu deren Herstellung lediglich das Drucknoppenelement 3 derart auf die Basisplatte 4a aufgelegt werden muss, dass die Drucknoppen 3b durch die Ausnehmungen 4b hindurch verlaufen. Die Druckplatte 2 kann dabei im Vorfeld auf der Drucknoppenplatte 3a angeordnet werden oder im Anschluss daran.
  • Die Aufnahmeeinrichtung 4 weist vorzugsweise einen an einem lateralen Randbereich der Basisplatte 4a angeordneten, um ein Zentrum 4ab der Basisplatte 4a zumindest abschnittsweise, vorzugsweise geschlossen, herum verlaufendes, von der Basisplatte 4a in Richtung der Druckplatte 2 hervorstehendes Randelement 4c auf. Das Randelement 4c umläuft lateral die Drucknoppenplatte 3a. Zwischen der Druckplatte 2 und dem Randelement 4c ist vorzugsweise ein Spalt 5 ausgebildet. Ein von der Drucknoppenplatte 3a hervorstehendes Randbereichselement 3c des Drucknoppenelements 3 ist im Spalt 5 angeordnet, wobei das Randbereichselement 3c in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der Druckplatte 2 gegen die Druckplatte 2 drückt. Das Randbereichselement 3c des Drucknoppenelements 3 umläuft an einem lateralen Randbereich der Drucknoppenplatte 3a zumindest abschnittsweise, vorzugsweise geschlossen, ein Zentrum 3ab der Drucknoppenplatte 3a. Die Druckplatte 2 kann, wie vorherigen Absatz beschrieben, im Vorfeld auf der Drucknoppenplatte 3a angeordnet werden und mittels des Randbereichselement 3c mit dem Drucknoppenelement 3 kraftschlüssig verbunden werden, so dass die Druckplatte 2 und die Drucknoppenplatte 3a zusammen eine bauliche Einheit ausbilden. Das Randbereichselement 3c drückt dabei in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der Druckplatte 2 gegen die Druckplatte 2 in Richtung auf das Zentrum 3ab der Drucknoppenplatte 3a.
  • Die Aufnahmeeinrichtung 4 weist vorzugsweise ein Hakenelement 6 auf, das in Normalenrichtung N der Druckplatte 2, in Richtung weg von der Basisplatte 4a, eine Bewegung der Druckplatte 2 durch Formschluss mit der Druckplatte 2 begrenzt. Hierdurch bilden die Druckplatte 2, die Drucknoppenplatte 3a und die Aufnahmeeinrichtung 4 zusammen eine bauliche Einheit aus. Die Druckeinrichtung 1 liegt somit in Form einer baulichen Einheit vor.
  • Die Druckplatte 2 weist vorzugsweise eine durch sie hindurchgehende Druckplattenöffnung 2b, die Drucknoppenplatte 3a eine durch sie hindurchgehende Drucknoppenplattenöffnung 3d und die Basisplatte 4a eine durch sie hindurchgehende Basisplattenöffnung 4ac auf. Die Druckplattenöffnung 2b, die Drucknoppenplattenöffnung 3d und die Basisplattenöffnung 4ac sind in Normalenrichtung N der Druckplatte 2 zueinander fluchtet angeordnet. Durch die Öffnungen 2b, 3d und 4ac wird eine einfache und sehr zuverlässige Ausbildung einer Druckerzeugungseinrichtung 17 eines Leistungshalbleitermoduls 10 ermöglicht (siehe 13 und 14).
  • Die Aufnahmeeinrichtung 4 weist vorzugsweise ein die Basisplattenöffnung 4ac umlaufendes, von der Basisplatte 4a in Richtung der Druckplattenöffnung 2b hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Basisplattenöffnungselement 4ad auf, wobei ein Teil des Basisplattenöffnungselements 4ad in der Druckplattenöffnung 2 angeordnet ist. Eine die Basisplattenöffnung 4ac begrenzende Innenwandfläche 4ad' des Basisplattenöffnungselements 4ad kann derartig ausgebildet sein, dass sich die Basisplattenöffnung 4ac in Richtung der Druckplatte 2 verkleinert, was in den Figuren nicht dargestellt ist.
  • In 5 ist eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 1 dargestellt. In 6 ist eine perspektivische Darstellung der zweiten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 1 in einem noch nicht fertig hergestellten Zustand dargestellt. In 7 und 8 sind perspektivische Schnittansichten der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 dargestellt. Die zweite Ausbildung der Druckeinrichtung 1 stimmt einschließlich vorteilhafter Ausbildungen und Ausbildungsvarianten im Wesentlichen mit der ersten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 überein.
  • Bei der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 weist die Aufnahmeeinrichtung 4 ein Druckelement 8 auf. Weiterhin weist bei der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 das Drucknoppenelement 3 im Randbereich der Drucknoppenplatte 3a eine von der Drucknoppenplatte 3a in Richtung weg von der Basisplatte 4a hervorstehende Lasche 7 auf. Zumindest ein Teil der Lasche 7 ist zwischen dem Druckelement 8 und der Druckplatte 2 angeordnet.
  • Die Druckplatte 2 kann, wie in 6 dargestellt, mittels des Druckelements 8 und der Lasche 7 mit der Aufnahmeeinrichtung 4 kraftschlüssig verbunden werden, so dass die Druckplatte 2, die Drucknoppenplatte 3a und die Aufnahmeeinrichtung zusammen eine bauliche Einheit ausbilden. Die Lasche 7 wird dabei von der Druckplatte 2 und vom Druckelement 8 zusammengedrückt und drückt infolge in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung N der Druckplatte 2 gegen die Druckplatte 2. Ein Abschnitt 7a der Lasche 7 weist vorzugsweise einen mechanischen Kontakt mit einer der Basisplatte 4a abgewandten Hauptseite 2a der Druckplatte 2 auf. Hierdurch wird im Bereich des Druckelements 8 eine Bewegung der Druckplatte 2 in Normalenrichtung N der Druckplatte 2 in Richtung weg von dem Drucknoppenelement 3 begrenzt. Es sei angemerkt, dass bei der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 zusätzlich das Randbereichselement 3c, sowie das Basisplattenöffnungselement 4ad, wie bei der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 vorhanden sein kann (in den 5 bis 8 nicht dargestellt).
  • In 9 ist eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausbildung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 1 dargestellt. In 10 und 11 sind perspektivische Schnittansichten der dritten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 dargestellt. Die dritte Ausbildung der Druckeinrichtung 1 stimmt einschließlich vorteilhafter Ausbildungen und Ausbildungsvarianten im Wesentlichen mit der ersten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 überein. Es sei angemerkt, dass die dritte Ausbildung der Druckeinrichtung 1 einschließlich vorteilhafter Ausbildungen und Ausbildungsvarianten im Wesentlichen auch mit der zweiten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 übereinstimmen kann.
  • Bei der dritten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 weist das Drucknoppenelement 3 ein die Drucknoppenplattenöffnung 3d umlaufendes, von der Drucknoppenplatte 3a hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Drucknoppenplattenöffnungselement 3e auf. Ein Teil des Drucknoppenplattenöffnungselements 3e ist in der Druckplattenöffnung 2b und/oder in der Basisplattenöffnung 4ac angeordnet. Eine die Drucknoppenplattenöffnung 3d begrenzende Innenwandfläche 3e' des Drucknoppenplattenöffnungselements 3e ist vorzugsweise derartig ausgebildet, dass sich die Drucknoppenplattenöffnung 3d in Richtung der Druckplatte 2 verkleinert. Gegenüber der ersten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 entfällt bei der dritten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 das bei der ersten Ausbildung der Druckeinrichtung 1 vorzugsweise vorhandene Basisplattenöffnungselement 4ad.
  • In 12 ist eine Explosionsdarstellung eines Leistungshalbleitermoduls 10 mit einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 1 dargestellt, wobei eine Druckerzeugungseinrichtung 17 des Leistungshalbleitermoduls 10 nicht dargestellt ist. In 13 ist eine perspektivische Schnittansicht einer leistungselektronischen Anordnung 15 und in 14 eine Schnittansicht eines Bereichs A von 13 dargestellt.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 weist eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung 1 und ein Substrat 14 auf dem Leistungshalbleiterbauelemente 9 angeordnet und mit dem Substrat 14 elektrisch leitend kontaktiert sind, auf. Das Substrat 14 weist eine elektrisch nicht leitende Isolationsschicht 14a und eine auf der Isolationsschicht 14a angeordnete zu Leiterbahnen strukturierte Metallschicht 14b auf. Vorzugsweise weist das Substrat 14 eine elektrisch leitende, vorzugsweise unstrukturierte weitere Metallschicht 14c auf, wobei die Isolationsschicht 14a zwischen der Metallschicht 14b und der weiteren Metallschicht 14cc angeordnet ist. Die Isolationsschicht 14a kann z.B. als Keramikplatte ausgebildet sein. Das Substrat 14 kann z.B. als Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat), als Active Metal Brazing Substrat (AMB-Substrat) oder als Insulated Metal Substrat (IMS) ausgebildet sein.
  • Die Leistungshalbleiterbauelemente 9 sind vorzugsweise mittels einer Löt- oder Sinterverbindung mit der Metallschicht 14b elektrisch leitend kontaktiert. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement 9 liegt vorzugsweise in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Die Leistungshalbleiterschalter 9 liegen dabei im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), oder in Form von Thyristoren vor.
  • Es sei angemerkt, dass die Leistungshalbleiterbauelemente 9 an Ihrer dem Substrat 14 abgewandten Seite, mittels z.B. Bonddrähten und/oder einem elektrisch leitenden Folienverbund, miteinander und mit den Leiterbahnen des Substrats 14, entsprechend der gewünschten elektrischen Schaltung, z.B. einer Halbbrückenschaltung, welche das Leistungshalbleitermodul 10 realisieren soll, elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der Übersichtlichkeit halber sind die Bonddrähte bzw. der Folienverbund in 1 und 6 nicht dargestellt.
  • Zumindest ein Teil der Drucknoppen 3b sind zu den Leistungshalbleiterbauelementen 9 fluchtet oberhalb der Leistungshalbleiterbauelemente 9 angeordnet, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente 9 zwischen den betreffenden Drucknoppen 3b und dem Substrat 14 angeordnet sind. Die betreffenden Drucknoppen 3b sind dazu ausgebildet, einen in Richtung auf das Substrat 14 zu wirkenden Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente 9 mittelbare oder unmittelbar auszuüben. Bei den Ausführungsbeispielen ist zwischen den Leistungshalbleiterbauelemente 9 und den betreffenden Drucknoppen 3b ein der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellter elektrisch leitender Folienverbund angeordnet, so dass die betreffenden Drucknoppen 3b bei den Ausführungsbeispielen dazu ausgebildet sind, einen in Richtung auf das Substrat 14 zu wirkenden Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente 9 mittelbar, d.h. hier über den Folienverbund, auszuüben.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 weist vorzugsweise ein Rahmenelement 11 mit einer in Richtung auf die Druckeinrichtung 1 zu verlaufenden Hülse 12 auf, wobei ein Teil der Hülse 12 in der Basisplattenöffnung 4ac angeordnet ist. Das Rahmenelement 11 bildet vorzugsweise ein Gehäuseteil des Leistungshalbleitermoduls 10 aus. Ein Teil der Hülse 12 ist in der Drucknoppenplattenöffnung 3d angeordnet. Der Durchmesser eines mit der Druckeinrichtung 1 einen mechanischen Kontakt aufweisenden Abschnitts einer Außenwand 12a der Hülse 12 verkleinert sich vorzugsweise in Richtung weg vom Substrat 14.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 weist, wie beispielhaft in 13 und 14 dargestellt, vorzugsweise eine Druckerzeugungseinrichtung 17 auf. Die Druckerzeugungseinrichtung 17 ist dazu ausgebildet, die Druckeinrichtung 1 in Richtung auf das Substrat 14 zu zudrücken. Die Druckerzeugungseinrichtung 17 weist vorzugsweise eine durch die Druckplattenöffnung 2b, durch die Drucknoppenplattenöffnung 3d, durch die Basisplattenöffnung 4ac und durch eine Öffnung 14c des Substrats 14 hindurchgehende Schraube 18 und ein Federelement 19 auf. Die Schraube 18 ist dazu ausgebildet über das Federelement 19, das vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet ist, die Druckeinrichtung 1 in Richtung auf das Substrat 14 zu zudrücken.
  • Das Leistungshalbleitermodul 10 weist weiterhin zum elektrischen Anschluss des Leistungshalbleitermoduls 10 an externe Elemente im Rahmen der Ausführungsbeispiele eine ersten und einen zweiten Gleichspannungslastpotentialanschluss 16a und 16b, einen Wechselspannungslastanschluss 16c und Steueranschlüsse 13 auf.
  • Die leistungselektronische Anordnung 15 weist das Leistungshalbleitermodul 10 und eine Grundplatte 20 auf, auf der das Substrat 14 angeordnet ist. Die Grundplatte 20 kann, wie beim Ausführungsbeispiel, Bestandteil eines Kühlkörpers 21 oder zur Anordnung auf einem Kühlkörper vorgesehen sein. Der Kühlkörper 21 weist vorzugsweise Kühlfinnen oder Kühlnoppen 22 auf. Die Grundplatte 20 weist vorzugsweise ein Sackloch auf, wobei eine das Sackloch umschließende Innenwand der Grundplatte 20 mit einem Innengewinde versehen ist, in das die Schraube 18 hineingedreht wird. Infolge hiervon drückt die Schraube 18 das Federelement 19 in Richtung auf das Substrat 14 zu gegen die Druckeinrichtung 1, so dass die Drucknoppen 3b mittelbar oder unmittelbar gegen die Leistungshalbleiterbauelemente 9 drücken und hierdurch das Substrat 14 gegen die Grundplatte 20 gedrückt wird, wodurch das Substrat 14 thermisch leitend an die Grundplatte 20 angekoppelt wird.

Claims (17)

  1. Druckeinrichtung zur mittelbaren oder unmittelbaren Einleitung von Druck auf Leistungshalbleiterbauelemente (9) eines Leistungshalbleitermoduls (10), mit einer Druckplatte (2), mit einem aus einem elastischen Material ausgebildeten Drucknoppenelement (3), das eine Drucknoppenplatte (3a) und von dieser hervorstehende Drucknoppen (3b) aufweist, und mit einer Aufnahmeeinrichtung (4) zur Aufnahme des Drucknoppenelements (3), die eine mit Ausnehmungen (4b) versehene Basisplatte (4a) aufweist, wobei die Ausnehmungen (4b) durch die Basisplatte (4a) hindurch verlaufen, wobei die Drucknoppenplatte (3a) auf der Basisplatte (4a) angeordnet ist und die Drucknoppen (3b) durch die Ausnehmungen (4b) hindurchverlaufen und auf der der Drucknoppenplatte (3a) abgewandten Hauptseite (4aa) der Basisplatte (4a) über diese Hauptseite (4aa) der Basisplatte (4a) hinausstehen, wobei die Drucknoppenplatte (3a) zwischen der Druckplatte (2) und der Basisplatte (4a) angeordnet ist wobei die Aufnahmeeinrichtung (4) einen an einem lateralen Randbereich der Basisplatte (4a) angeordneten, um ein Zentrum (4ab) der Basisplatte (4a) zumindest abschnittsweise herum verlaufendes, von der Basisplatte (4a) in Richtung der Druckplatte (2) hervorstehendes Randelement (4c) aufweist, wobei das Randelement (4c) die Drucknoppenplatte (3a) lateral umläuft.
  2. Druckeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckplatte (2) und dem Randelement (4c) ein Spalt (5) ausgebildet ist und ein von der Drucknoppenplatte (3a) hervorstehendes Randbereichselement (3c) des Drucknoppenelements (3) im Spalt (5) angeordnet ist, wobei das Randbereichselement (3c) in senkrechter Richtung zur Normalenrichtung (N) der Druckplatte (2) gegen die Druckplatte (2) drückt.
  3. Druckeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) ein Hakenelement (6) aufweist, das in Normalenrichtung (N) der Druckplatte (2), in Richtung weg von der Basisplatte (4a), eine Bewegung der Druckplatte (2) durch Formschluss mit der Druckplatte (2) begrenzt.
  4. Druckeinrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) ein Druckelement (8) aufweist, wobei im Randbereich der Drucknoppenplatte (3a) das Drucknoppenelement (3) eine von der Drucknoppenplatte (3a) in Richtung weg von der Basisplatte (4a) hervorstehende Lasche (7) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Lasche (7) zwischen dem Druckelement (8) und der Druckplatte (2) angeordnet ist.
  5. Druckeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (7a) der Lasche (7) einen mechanischen Kontakt mit einer der Basisplatte (4a) abgewandten Hauptseite (2a) der Druckplatte (2) aufweist.
  6. Druckeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (2) eine durch sie hindurchgehende Druckplattenöffnung (2b), die Drucknoppenplatte (3a) eine durch sie hindurchgehende Drucknoppenplattenöffnung (3d) und die Basisplatte (4a) eine durch sie hindurchgehende Basisplattenöffnung (4ac) aufweisen, wobei die Druckplattenöffnung (2b), die Drucknoppenplattenöffnung (3d) und die Basisplattenöffnung (4ac) in Normalenrichtung (N) der Druckplatte (2) zueinander fluchtend angeordnet sind.
  7. Druckeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (4) ein die Basisplattenöffnung (4ac) umlaufendes, von der Basisplatte (4a) in Richtung der Druckplattenöffnung (2b) hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Basisplattenöffnungselement (4ad) aufweist, wobei ein Teil des Basisplattenöffnungselements (4ad) in der Druckplattenöffnung (2b) angeordnet ist.
  8. Druckeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Basisplattenöffnung (4ac) begrenzende Innenwandfläche (4ad') des Basisplattenöffnungselements (4ad) derartig ausgebildet ist, dass sich die Basisplattenöffnung (4ac) in Richtung der Druckplatte (2) verkleinert.
  9. Druckeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucknoppenelement (3) ein die Drucknoppenplattenöffnung (3d) umlaufendes, von der Drucknoppenplatte (3a) hervorstehendes, insbesondere ringförmig ausgebildetes, Drucknoppenplattenöffnungselement (3e) aufweist, wobei ein Teil des Drucknoppenplattenöffnungselements (3e) in der Druckplattenöffnung (2b) und/oder in der Basisplattenöffnung (4ac) angeordnet ist.
  10. Druckeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Drucknoppenplattenöffnung (3d) begrenzende Innenwandfläche (3e') des Drucknoppenplattenöffnungselements (3e) derartig ausgebildet ist, dass sich die Drucknoppenplattenöffnung (3d) in Richtung der Druckplatte (2) verkleinert.
  11. Leistungshalbleitermodul mit einer Druckeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Substrat (14) auf dem Leistungshalbleiterbauelemente (9) angeordnet und mit dem Substrat (14) elektrisch leitend kontaktiert sind, wobei zumindest ein Teil der Drucknoppen (3b) zu den Leistungshalbleiterbauelementen (9) fluchtend oberhalb der Leistungshalbleiterbauelemente (9) angeordnet sind, so dass die Leistungshalbleiterbauelemente (9) zwischen den betreffenden Drucknoppen (3b) und dem Substrat (14) angeordnet sind, wobei die betreffenden Drucknoppen (3b) dazu ausgebildet sind, einen in Richtung auf das Substrat (14) zu wirkenden Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente (9) mittelbar oder unmittelbar auszuüben.
  12. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (10) ein Rahmenelement (11) mit einer in Richtung auf die Druckeinrichtung (1) verlaufenden Hülse (12) aufweist, wobei ein Teil der Hülse (12) in der Basisplattenöffnung (4ac) angeordnet ist.
  13. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Hülse (12) in der Drucknoppenplattenöffnung (3d) angeordnet ist.
  14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser eines mit der Druckeinrichtung (1) einen mechanischen Kontakt aufweisenden Abschnitts einer Außenwand (12a) der Hülse (12) sich in Richtung weg vom Substrat (14) verkleinert.
  15. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleitermodul (10) eine Druckerzeugungseinrichtung (17) aufweist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, die Druckeinrichtung (1) in Richtung auf das Substrat (14) zu zudrücken.
  16. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 15, soweit die Druckeinrichtung (1) direkt oder indirekt auf Anspruch 7 zurückbezogen ist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung (17) eine durch die Druckplattenöffnung (2b), durch die Drucknoppenplattenöffnung (3d), durch die Basisplattenöffnung (4ac) und durch eine Öffnung (14c) des Substrats (14) hindurchgehende Schraube (18) und ein Federelement (19) aufweist, wobei die Schraube (18) dazu ausgebildet ist über das Federelement (19) die Druckeinrichtung (1) in Richtung auf das Substrat (14) zu zudrücken.
  17. Leistungselektronische Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 16 und mit einer Grundplatte (20), auf der das Substrat (14) angeordnet ist, wobei die Grundplatte (20) Bestandteil eines Kühlkörpers (21) ist oder zur Anordnung auf einem Kühlkörper vorgesehen ist.
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