DE112013005676B4 - Leistungsmodul - Google Patents

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    • H01L2924/13091—Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Abstract

Leistungsmodul, Folgendes aufweisend:ein Wärmeableitungssubstrat (20) mit einer flachen Fläche, auf der ein Leistungshalbleiterelement (19) angebracht ist, wobei ein geneigtes Teil an einem Endteilbereich des Wärmeableitungssubstrats (20) ausgebildet ist, wobei das geneigte Teil in einem konstanten Winkel in Bezug auf die flache Fläche geneigt ist;ein Harzgehäuse (6), das das Leistungshalbleiterelement umgibt, wobei das Harzgehäuse die besagte Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt;eine Kühlrippe (10), die eine entgegengesetzte Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt, die entgegengesetzt zu der flachen Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) ist; undeine Andrückeinrichtung (13, 11, 6, 14), die das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt, um das Wärmeableitungssubstrat (20) gegen die Kühlrippe zu drücken.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Befestigungsstruktur in einem Leistungsmodul, die dazu verwendet wird, einen engen Kontakt eines Wärmeableitungssubstrats, auf dem ein Leistungshalbleiterelement montiert ist, beispielsweise mit einer Kühlrippe im Leistungsmodul herzustellen.
  • Stand der Technik
  • Bei einem herkömmlichen Leistungsmodul werden ein Harzgehäuse und eine Kühlrippe mit einer Schraube fixiert, und ein Wärmeableitungssubstrat, auf dem ein Leistungshalbleiterelement angebracht ist, wird an der Kühlrippe befestigt, indem ein Mittel zum Andrücken des Wärmeableitungssubstrats gegen die Kühlrippe übernommen wird, wobei ein Vorsprung am Harzgehäuse vorgesehen ist (siehe z.B. Patentschrift 1). Die US 5 172 755 A zeigt eine Konstruktion, bei der zur Verbesserung der Kontaktierung zwischen Wärmeableitungssubstrat und Kühlrippe die Kontaktfläche der Kühlrippe konvex geformt ist, so dass das Wärmeableitungssubstrat mittels Haltemitteln am Rand auf die konvexe Fläche der Kühlrippe aufgespannt wird. Die DE 10 2009 026 558 B3 zeigt ein Leistungshalbleitermodul, das einen Schaltungsträger aufweist, der zur Vermeidung von Beschädigungen durch mechanische Krafteinwirkung mittels elastischer Verbindungsmittel beweglich an einem Gehäuse fixiert ist.
  • Schriften aus dem Stand der Technik
  • Patentschriften
    • Patentschrift 1: JP 3 225 457 B2 (Seite 2 und 1)
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
  • Beim herkömmlichen Leistungsmodul wird als Ergebnis dessen, dass das Harzgehäuse verwendet wird, um das Wärmeableitungssubstrat an der Kühlrippe zu fixieren, eine sich aus der axialen Kraft der Schraube ergebende Belastung an das Harzgehäuse angelegt. Diese Belastung verformt das Harzgehäuse. Diese Verformung des Harzgehäuses bewirkt einen Riss in der Harzfüllung des Harzgehäuses. Dieser Riss verursacht das Problem eines Ausfalls bei einer Durchbruchspannung oder einer Schwankung elektrischer Eigenschaften.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, ein Leistungsmodul bereitzustellen, das in der Lage ist, das Auftreten eines Risses in einer Harzfüllung in einem Harzgehäuse zu vermeiden, indem eine Verformung des Harzgehäuses unterbunden wird, die auftritt, wenn ein Wärmeableitungssubstrat an einer Kühlrippe fixiert wird.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Ein Leistungsmodul der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Wärmeableitungssubstrat mit einer flachen Fläche, auf der ein Leistungshalbleiterelement angebracht ist, wobei ein geneigtes Teil an einem Endteilbereich des Wärmeableitungssubstrats ausgebildet ist, wobei das geneigte Teil in einem konstanten Winkel in Bezug auf die flache Fläche geneigt ist; ein Harzgehäuse, das das Leistungshalbleiterelement umgibt, wobei das Harzgehäuse die besagte eine Fläche des Wärmeableitungssubstrats berührt; eine Kühlrippe, die eine entgegengesetzte Fläche des Wärmeableitungssubstrats berührt, die entgegengesetzt zu der flachen Fläche des Wärmeableitungssubstrats ist; und eine Andrückeinrichtung, die das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats berührt, um das Wärmeableitungssubstrat gegen die Kühlrippe zu drücken.
  • Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Ecke (ein Außenumfang) eines Querschnitts des Wärmeableitungssubstrats in das geneigte Teil hinein ausgebildet, und das am Außenumfang des Wärmeableitungssubstrats ausgebildete geneigte Teil wird mit der Andrückeinrichtung angedrückt. Dies unterbindet eine Verformung des Harzgehäuses, das mit der Ecke des Außenumfangs des Wärmeableitungssubstrats als Drehpunkt wirkt, so dass das Auftreten eines Risses in einer Harzfüllung im Harzgehäuse vermieden werden kann.
  • Figurenliste
    • 1A und 1B sind Ansichten, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
    • 2 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 3 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur einer Hülse mit einer anderen Form nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 4 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 5 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsform/en
  • In allen Zeichnungen, auf die nachstehend zur Beschreibung der Ausführungsformen Bezug genommen wird, bedeuten Strukturen mit denselben Bezugszeichen, dass es sich bei diesen Strukturen um dieselben oder entsprechende Strukturen handelt.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1A gezeigt ist, umfasst ein Leistungsmodul 100 ein Harzgehäuse 6, eine Kühlrippe 10, ein Druckteil 13 als Andrückeinrichtung, und ein Wärmeableitungssubstrat 20. Das Harzgehäuse 6 hat Durchtrittsöffnungen 15 als in einem Außenumfang von diesem ausgebildete Durchgangsöffnungen. Die Kühlrippe 10 hat Schraubenöffnungen 16, die in einem Außenumfang von dieser ausgebildet sind.
  • Das Wärmeableitungssubstrat 20 hat eine Metallbasis und eine Isolierschicht 2. Eine Metallstruktur 3 ist auf dem Wärmeableitungssubstrat 20 ausgebildet. Ein Leistungshalbleiterelement 4 ist über ein Lötmittel (in den Zeichnungen nicht gezeigt) auf der Metallstruktur 3 ausgebildet. Das Wärmeableitungssubstrat 20 hat an einem Endteilbereich von sich ein geneigtes Teil. Das geneigte Teil ist von einer Innenseite zu einem Außenumfang des Wärmeableitungssubstrats 20 zu einer unteren Position geneigt.
  • Bei dem Leistungshalbleiterelement 4 kann es sich beispielsweise um einen IGBT (Isolierschichtbipolartransistor) oder einen Leistungs-MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) handeln. Alternativ kann das Leistungshalbleiterelement 4 eine FWD (Freilaufdiode) sein.
  • Die zuvor erwähnten jeweiligen Formen des Leistungshalbleiterelements 4 und der Metallstruktur 3 bilden beispielsweise eine Inverterschaltung. Das Leistungsmodul 100 enthält diese Inverterschaltung.
  • Aluminium und Kupfer und Legierungen von diesen lassen sich anwenden, um die Metallbasis 1 in puncto Wärmeableitungsleistung und Dichte auszubilden. In puncto elektrischer Widerstand und Wärmeableitungsleistung ist es wünschenswert, dass die Metallstruktur 3 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt wird. Was die jeweilige Dicke der Metallbasis 1 und der Metallstruktur 3 in Bezug auf Produktivität und den wirtschaftlichen Gesichtspunkt anbelangt, ist es wünschenswert, dass die Metallbasis 1 ca. 0,5 bis ca. 3,0 mm und die Metallstruktur 3 ca. 0,1 bis 0,5 mm misst.
  • Es ist vorzuziehen, dass die Isolierschicht 2 aus Epoxid oder Flüssigkristallpolymer besteht, das mit einem Füllstoff gefüllt ist, der eine hohe Wärmeableitungsleistung hat. Die Dicke der Isolierschicht 2 wird auf Grundlage einer zu verwendenden Nennspannung und den gewünschten Wärmeableitungseigenschaften bestimmt. Es ist wünschenswert, dass diese Dicke sich in einem Bereich von ca. 0, 1 bis ca. 0,3 mm ansiedelt.
  • Auf diese Weise ist das Wärmeableitungssubstrat 20 ausgebildet, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 angebracht ist. Das geneigte Teil ist an einer Ecke (Außenumfang) von jeweils entgegengesetzten Querschnittsenden des in 1 gezeigten Wärmeableitungssubstrats 20 ausgebildet. Dieses geneigte Teil ist an der Metallbasis 1 oder an der Metallbasis 1 und der Isolierschicht 2 ausgebildet. Ein geneigtes Teil kann an einem Endteilbereich der Metallbasis 1 auf einer einer Fläche der Metallbasis 1 entgegengesetzten Seite entfallen, auf der das Leistungshalbleiterelement 4 angebracht ist.
  • 1B ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur des Außenumfangs des Wärmeableitungssubstrats 20 vergrößert zeigt. Das geneigte Teil ist geeigneter Weise in einem Winkel in einem Bereich von 20 bis 60 Grad, wünschenswerter Weise 30 bis 45 Grad in Bezug auf eine flache Fläche geneigt, auf der das Leistungshalbleiterelement 4 angebracht ist. Wie in 1B gezeigt ist, ist, wenn eine geneigte Fläche eine Neigung von 30 Grad hat, und wenn eine Größe der geneigten Fläche in der Dickenrichtung des Wärmeableitungssubstrats 20 beispielsweise 1,5 mm beträgt, eine Breite b an einem Neigungsflächenteil in der Richtung der flachen Fläche als 1.5 × 3 = 2,6  mm
    Figure DE112013005676B4_0001
    bestimmt. Es ist wünschenswert, 2 mm oder mehr für die Breite b am Neigungsflächenteil zum zuverlässigen Haltern des Substrats zu reservieren, damit es beispielsweise Schwingung von außen entgegenwirkt.
  • Das Wärmeableitungssubstrat 20, auf dem das Leistungshalbleiterelement 4 angebracht ist, ist über einen Klebstoff 5 im Harzgehäuse 6 fixiert. Das Harzgehäuse 6 besteht aus PPS (Polyphenylsulfid). Ein in das Harzgehäuse 6 eingebauter Anschluss 7 umfasst einen Hauptanschluss und einen Steueranschluss. Der Anschluss 7 ist an das im Inneren des Harzgehäuses 6 angeordnete Leistungshalbleiterelement 4 angeschlossen. Das Leistungshalbleiterelement 4 ist über den Anschluss 7 elektrisch mit der Außenseite verbunden. Als Beispiel sind Verbindungen zwischen dem Gate eines IGBT als dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Steueranschluss, zwischen dem Emitter des IGBT als dem Leistungshalbleiterelement 4 und dem Hauptanschluss, und zwischen dem Kollektor und dem Hauptanschluss hergestellt. Diese Verbindungen sind beispielsweise unter Verwendung von Aluminiumdrähten 8 mit einem Durchmesser von 0,4 mm hergestellt. Die Aluminiumdrähte 8 sind durch ein Ultraschallverfahren an das Leistungshalbleiterelement 4 und den Anschluss 7 gebunden. Die Aluminiumdrähte 8 können durch Kupferdrähte ersetzt werden. Die Kupferdrähte weisen einen geringeren Widerstand auf als die Aluminiumdrähte, so dass sie effektiv besonders für das Leistungshalbleiterelement 4 wirken, mit einem großen Strom umzugehen.
  • Um das Leistungshalbleiterelement 4 und einen Bereich, in dem die Aluminiumdrähte 8 vorgesehen sind, zu schützen, und um eine Isolationsdurchbruchspannung sicherzustellen, ist Füllharz 9 in einem Bereich vorgesehen, der durch das Harzgehäuse 6 und das Wärmeableitungssubstrat 20 gebildet ist. Als Beispiel wird ein hauptsächlich Gel enthaltendes Harz oder ein Epoxidharz als das Füllharz 9 verwendet.
  • Das Modul, das das Wärmeableitungssubstrat 20, das Harzgehäuse 6 und das Füllharz 9 umfasst, die integral angeordnet sind, ist mit Schrauben 12 an der Kühlrippe 10 befestigt. Das Harzgehäuse 6 ist mit den Durchtrittsöffnungen 15 zur Schraubenbefestigung versehen. Hülsen 11 sind in den Durchtrittsöffnungen 15 vorgesehen. Die Hülsen 11 werden dazu verwendet, das Harzgehäuse 6 zuverlässig an der Kühlrippe 10 zu fixieren. Dieses Modul wird an der Kühlrippe 10 fixiert, indem die Schrauben 12 über die Durchtrittsöffnungen 15 in die Schraubenöffnungen 16 in der Kühlrippe 10 befestigt werden. Die Hülsen 11 können eine kreiszylindrische Form haben. Dabei ist die Form der Hülsen 11 nicht auf einen Kreiszylinder beschränkt, sondern kann auch ein Polygon sein, solange eine solche Form ein Einsetzen der Hülsen 11 in die Durchtrittsöffnungen 15 ermöglicht. Was die Länge der Hülsen 11 anbelangt, so brauchen die Hülsen 11 einfach nur größer als die Tiefe der Durchtrittsöffnungen 15 im Harzgehäuse 6 zu sein. Alternativ können die Hülsen 11 eine Form haben, die bewirkt, dass sich die Hülsen 11 am Harzgehäuse 6 auf einer Seite des Harzgehäuses 6 festsetzen, auf der die Schrauben 12 eingesetzt sind.
  • Das Vorsehen des Druckteils 13 zwischen den Hülsen 11 und der Kühlrippe 10 lässt das Druckteil 13 Druckkraft aufnehmen, die sich aus der axialen Schraubenkraft ergibt. Das geneigte Teil ist an einem Endteilbereich des Wärmeableitungssubstrats 20 ausgebildet. Das Druckteil 13 stößt am geneigten Teil der Metallbasis 1 oder dem geneigten Teil an, das an der Metallbasis 1 und der Isolierschicht 2 ausgebildet ist. Das Druckteil 13 hat ein geneigtes Teil, das das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 berühren kann. Das geneigte Teil des Druckteils 13 ist in einem das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 berührenden Teil ausgebildet. Die Dicke des Druckteils 13 ist dieselbe oder um einen Bereich von ca. 0,1 bis ca. 0,2 mm kleiner als diejenige des Wärmeableitungssubstrats 20. Als Ergebnis der zuvor erwähnten Struktur bringt das Druckteil 13 die Wirkung hervor, das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 zu drücken. Nach der Schraubenbefestigung stehen die Hülsen 11 aus den Durchtrittsöffnungen 15 zur Kühlrippe 10 hin vor, und der Klebstoff 5 und die Hülsen 11 bilden zusammen Zwischenräume zwischen dem Harzgehäuse 6 und dem Druckteil 13. Es ist wünschenswert, dass das Druckteil 13 aus Metall besteht. Dabei ist das Material für das Druckteil nicht auf Metall beschränkt, sondern braucht einfach nur beständig gegen zeitliche Veränderung zu sein.
  • Als in einer Struktur ohne ein geneigtes Teil an einem Querschnittsende des Wärmeableitungssubstrats 20 das Harzgehäuse 6 beispielsweise mit zwei M5-Schrauben befestigt wurde, war das Auftreten eines Risses in der Harzfüllung 9 unter einem Schraubendrehmoment von 3,5 Nm zu erkennen. Man geht davon aus, dass dies aus dem folgenden Grund stattfindet. Durch das Nichtvorhandensein eines geneigten Teils an einem Querschnittsende des Wärmeableitungssubstrats 20 bildet sich ein Flächenkontakt zwischen der flachen Fläche des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem Harzgehäuse 6, wodurch ein im Harzgehäuse 6 wirkendes Drehmoment mit einer Ecke (einem Außenumfang) des Querschnittsendes des Wärmeableitungssubstrats 20 als Drehpunkt verursacht wird, das sich aus der Schraubenbefestigung ergibt. Das Auftreten des Drehmoments im Harzgehäuse 6 verformt das Harzgehäuse 6 und das Füllharz 9. Das Füllharz 9 hat im Allgemeinen einen geringeren Elastizitätsmodul als das Harzgehäuse 6 und verfügt über keine hohe Festigkeit. Somit tritt wahrscheinlich eine Belastungskonzentration am Füllharz 9 beispielsweise an einer Stelle auf, an der das Harzgehäuse 6 um den vorhandenen Anschluss 7 vorsteht. Dies wird als Ursache für den Riss im Füllharz 9 angesehen.
  • Hingegen stellt in der Struktur der vorliegenden Erfindung ein flacher Flächenteil des Wärmeableitungssubstrats 20 einen Flächenkontakt mit dem Harzgehäuse 6 her, das geneigte Teil ist an einer Ecke eines Querschnittsendes des Wärmeableitungssubstrats 20 ausgebildet, und das Wärmeableitungssubstrat 20 wird unter Verwendung des Druckteils 13 mit dem geneigten Teil gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Das Wärmeableitungssubstrat 20 wird angedrückt, während das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 und das geneigte Teil des Druckteils 13 sich an mindestens mehreren Stellen berühren, konkret, während im Wesentlichen ein Flächenkontakt zwischen diesen geneigten Teilen hergestellt ist. Im Ergebnis wird das Wärmeableitungssubstrat 20 mit zwei Flächen des Harzgehäuses 6 und dem geneigten Teil des Druckteils 13 gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Darüber hinaus wird kein Drehmoment (keine Belastung), die mit der Ecke des Querschnittsendes des Wärmeableitungssubstrats 20 als Drehpunkt wirkt, direkt an das Harzgehäuse 6 angelegt, sondern über das Druckteil 13 auf das Harzgehäuse 6 übertragen. Dies reduziert das an das Harzgehäuse 6 anzulegende Drehmoment weiter, um eine Verformung des Harzgehäuses 6 in der Richtung der Drehung zu unterbinden. Im Ergebnis wurde selbst unter einem Befestigungsdrehmoment von 3,5 Nm kein Auftreten eines Risses im Füllharz 9 erkannt.
  • In dem Leistungsmodul mit der zuvor erwähnten Struktur wird das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 gedrückt, wobei ein Kontakt zwischen dem flachen Flächenteil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem Harzgehäuse 6 und ein Kontakt zwischen dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem geneigten Teil des Druckteils 13 besteht. Auf diese Weise wird das Wärmeableitungssubstrat 20 unter Verwendung von zwei oder mehr Flächen, einschließlich der flachen Fläche und der geneigten Fläche des Wärmeableitungssubstrats 20, gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Somit wirkt das Druckteil 13 so, dass es eine Übertragung von Belastung auf das Harzgehäuse 6 unwahrscheinlich macht, wodurch eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbunden wird, wenn das Harzgehäuse 6 mit Schrauben an der Kühlrippe 10 befestigt wird. Dadurch wird erzielt, dass eine Belastungsabnahme im Füllharz 9 stattfindet, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann. Der Flächenkontakt zwischen den geneigten Teilen des Wärmeableitungssubstrats 20 und des Druckteils 13 macht es möglich, eine angeforderte Maßtoleranz und eine angeforderte Lagetoleranz des Druckteils 13 zu entspannen, wodurch die Verarbeitung und Montage erleichtert wird. Ferner kann das Andrücken des Wärmeableitungssubstrats 20 mit dem Druckteil 13, das nicht aus dem einfach zeitlicher Veränderung unterliegenden Harz sondern aus gegen zeitliche Veränderung beständigem Metall hergestellt ist, eine zeitliche Veränderung von Kraft reduzieren, die aufgewendet wird, um das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 zu drücken. Dies lässt das Leistungsmodul über eine lange Zeit eine stabile Wärmebeständigkeit haben.
  • Außerdem kann, wenn das Druckteil 13 aus einem Metall mit günstiger Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, Wärme, die im Leistungshalbleiterelement 4 entsteht, vom Wärmeableitungssubstrat 20 über das Druckteil 13 auf die Kühlrippe 10 übertragen werden. Dies senkt den Wärmewiderstand des Leistungsmoduls und erzielt die Wirkung, die Nutzungsdauer des Leistungsmoduls zu verlängern.
  • In dieser Ausführungsform ist das Druckteil 13 sich entlang des gesamten Außenumfangs des Wärmeableitungssubstrats 20 erstreckend ausgebildet. Dabei braucht das Druckteil 13 nicht immer auf den gesamten Außenumfang zu drücken, sondern kann nur an einer Stelle nahe einer Position angeordnet sein, an der das Harzgehäuse 6 mit einer Schraube befestigt ist, so dass eine hohe Belastung am Harzgehäuse 6 anliegt. Dadurch kann die Größe des Druckteils 13 verkleinert werden, um einen Vorteil in Sachen Kosten zu erbringen.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine zweite Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Hülse 11 das in der ersten Ausführungsform als Andrückeinrichtung verwendete Druckteil 13 ersetzt. Die Hülse 11 auf diese Weise zu verwenden, lässt die Hülse 11 das am Wärmeableitungssubstrat 20 ausgebildete geneigte Teil immer noch andrücken. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden und im Füllharz 9 auftretende Belastung reduzieren, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in der schematischen Darstellung von 2 vergrößert gezeigte Querschnittsstruktur gehört zu einem Fixierungsteil des Harzgehäuses 6 und der Kühlrippe 10, das einen charakteristischen Teil der zweiten Ausführungsform bildet. Wie in 2 gezeigt, umfasst ein Leistungsmodul 200 das Harzgehäuse 6, die Kühlrippe 10, die Hülse 11 und das Wärmeableitungssubstrat 20. Das Harzgehäuse 6 hat die Durchtrittsöffnung 15 als eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Durchgangsöffnung. Die Kühlrippe 10 hat eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Schraubenöffnung 16.
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur einer Hülse 21 mit einer anderen Form zeigt. Eine in 3 gezeigte Hülse 21 hat ein geneigtes Teil, das auf das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 anspricht.
  • Die Hülse 21 ist in der Durchtrittsöffnung 15 im Harzgehäuse 6 angeordnet. Das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 wird mit dem an einem Spitzenteilbereich der Hülse 21 nahe der Kühlrippe 10 ausgebildeten geneigten Teil angedrückt. Die Schraube 12 ist über die Durchtrittsöffnung 15 in die Schraubenöffnung 16 in der Kühlrippe 10 eingedreht. Ferner werden das flache Flächenteil und das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 mit dem Harzgehäuse 6 bzw. der Hülse 21 angedrückt, wodurch das Wärmeableitungssubstrat 20 an der Kühlrippe 10 fixiert wird.
  • In der Struktur der vorliegenden Erfindung war kein Auftreten eines Risses im Füllharz 9 nach einer Befestigung an der Kühlrippe 10 beispielsweise mit einer M5-Schraube unter einem Befestigungsdrehmoment von 3,5 Nm zu erkennen.
  • Die Hülse 11 in der Form von 3 mit dem geneigten Teil auszubilden, vergrößert eine Kontaktfläche mit dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20. Im Ergebnis kann das Wärmeableitungssubstrat 20 stabiler gegen die Kühlrippe 10 gedrückt werden.
  • In dem Leistungsmodul mit der zuvor erwähnten Struktur wird das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 gedrückt, wobei ein Kontakt zwischen dem flachen Flächenteil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem Harzgehäuse 6 und ein Kontakt zwischen dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 und der Hülse 11 besteht. Auf diese Weise wird das Wärmeableitungssubstrat 20 unter Verwendung von zwei oder mehr Flächen, einschließlich der flachen Fläche und der geneigten Fläche des Wärmeableitungssubstrats 20, gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden, wenn das Harzgehäuse 6 mit einer Schraube an der Kühlrippe 10 befestigt wird. Dadurch wird erzielt, dass eine Belastungsabnahme im Füllharz 9 stattfindet, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann. Ferner kann der entfallende Prozess zum Befestigen des Druckteils 13 Herstellungsschritte vereinfachen.
  • Dritte Ausführungsform
  • Eine dritte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass ein geneigtes Teil, das am Harzgehäuse 6 an einer dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 zugewandten Stelle ausgebildet ist, das in der ersten Ausführungsform als Andrückeinrichtung verwendete Druckteil 13 ersetzt. In dieser Struktur ist das Harzgehäuse 6 als eine mit der Andrückeinrichtung integrierte Struktur ausgebildet. Das am Harzgehäuse 6 ausgebildete geneigte Teil wird auch dazu verwendet, das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 anzudrücken. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden und im Füllharz 9 auftretende Belastung reduzieren, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann.
  • 4 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in der schematischen Darstellung von 4 vergrößert gezeigte Querschnittsstruktur gehört zu einem Fixierungsteil des Harzgehäuses 6 und der Kühlrippe 10, das einen charakteristischen Teil der dritten Ausführungsform bildet. Wie in 4 gezeigt, umfasst ein Leistungsmodul 300 das Harzgehäuse 6 mit dem geneigten Teil, die Kühlrippe 10 und das Wärmeableitungssubstrat 20. Das Harzgehäuse 6 hat die Durchtrittsöffnung 15 als eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Durchgangsöffnung. Die Kühlrippe 10 hat eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Schraubenöffnung 16.
  • Die Hülse 11 ist in der Durchtrittsöffnung 15 im Harzgehäuse 6 angeordnet. Das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 wird mit dem am Harzgehäuse 6 ausgebildeten geneigten Teil angedrückt. Die Schraube 12 ist über die Durchtrittsöffnung 15 in die Schraubenöffnung 16 in der Kühlrippe 10 eingedreht. Ferner werden das flache Flächenteil und das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 mit einem flachen Flächenteil bzw. dem geneigten Teil des Harzgehäuse 6 angedrückt, wodurch das Wärmeableitungssubstrat 20 an der Kühlrippe 10 fixiert wird.
  • In der Struktur der vorliegenden Erfindung war kein Auftreten eines Risses im Füllharz 9 nach einer Befestigung an der Kühlrippe 10 beispielsweise mit einer M5-Schraube unter einem Befestigungsdrehmoment von 3,5 Nm zu erkennen.
  • In dem Leistungsmodul mit der zuvor erwähnten Struktur wird das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 gedrückt, wobei ein Kontakt zwischen dem flachen Flächenteil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem Harzgehäuse 6 und ein Kontakt zwischen dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem geneigten Teil des Harzgehäuses 6 besteht. Auf diese Weise wird das Wärmeableitungssubstrat 20 unter Verwendung von zwei oder mehr Flächen, einschließlich der flachen Fläche und der geneigten Fläche des Wärmeableitungssubstrats 20, gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden, wenn das Harzgehäuse 6 mit einer Schraube an der Kühlrippe 10 befestigt wird. Dadurch wird erzielt, dass eine Belastungsabnahme im Füllharz 9 stattfindet, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann. Ferner werden als Ergebnis dessen, dass das geneigte Teil am Harzgehäuse 6 vorgesehen ist, die jeweiligen geneigten Teile des Harzgehäuses 6 und des Wärmeableitungssubstrats 20 miteinander ausgerichtet. Dies ermöglicht eine Anbringung des Harzgehäuses 6 an einer Stelle, die im Hinblick auf das Wärmeableitungssubstrat 20 näher an der Innenseite liegt. Dies kann die Größe einer durch das Wärmeableitungssubstrat 20 zu verwendenden Fläche minimieren und die Gebrauchsmenge des Füllharzes 9 reduzieren. Im Ergebnis kann eine von einem Unterschied beim Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem Füllharz 9, dem Harzgehäuse 6 und dem Wärmeableitungssubstrat 20 herrührende Wärmeverformung reduziert werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • Eine vierte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass eine im Harzgehäuse 6 vorgesehene Feder 14 das in der ersten Ausführungsform als Andrückeinrichtung verwendete Druckteil 13 ersetzt. Die Feder 14 wird auch dazu verwendet, gegen das am Wärmeableitungssubstrat 20 ausgebildete geneigte Teil zu drücken. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden und im Füllharz 9 auftretende Belastung reduzieren, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann.
  • 5 ist eine schematische Darstellung, die die Querschnittsstruktur eines Leistungsmoduls der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in der schematischen Darstellung von 5 vergrößert gezeigte Querschnittsstruktur gehört zu einem Fixierungsteil des Harzgehäuses 6 und der Kühlrippe 10, das einen charakteristischen Teil der vierten Ausführungsform bildet. Wie in 5 gezeigt, umfasst ein Leistungsmodul 400 das Harzgehäuse 6, die Kühlrippe 10, die Feder 14 als Andrückeinrichtung und das Wärmeableitungssubstrat 20. Das Harzgehäuse 6 hat die Durchtrittsöffnung 15 als eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Durchgangsöffnung. Die Kühlrippe 10 hat eine in einem Außenumfang von dieser ausgebildete Schraubenöffnung 16.
  • Die Hülse 11 ist in der Durchtrittsöffnung 15 im Harzgehäuse 6 angeordnet. Das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 wird mit der am Harzgehäuse 6 vorgesehenen Feder 14 angedrückt. Die Schraube 12 ist über die Durchtrittsöffnung 15 in die Schraubenöffnung 16 in der Kühlrippe 10 eingedreht. Ferner werden das flache Flächenteil und das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 mit dem Harzgehäuse 6 und der Feder 14 des Harzgehäuses 6 angedrückt, wodurch das Wärmeableitungssubstrat 20 an der Kühlrippe 10 fixiert wird. Die Feder 14 besteht aus einem Metallteil. Allerdings ist, solange die Feder 14 dazu verwendet werden kann, das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 zu drücken, und die zeitliche Veränderung von Kraft reduzieren kann, die zum Andrücken des Wärmeableitungssubstrats 20 aufgewendet wird, das Material der Feder 14 nicht auf ein Metallteil beschränkt. Es ist wünschenswert, dass die am Harzgehäuse 6 vorgesehene Feder 14 in einer geneigten Form ausgebildet ist, die auf die geneigte Form des Wärmeableitungssubstrats 20 anspricht. Jedoch wird eine solche Form nicht als eine Einschränkung vorgegeben, sondern die Feder 14 kann jede Form haben, die dazu verwendet werden kann, das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 zu drücken.
  • In der Struktur der vorliegenden Erfindung war kein Auftreten eines Risses im Füllharz 9 nach einer Befestigung an der Kühlrippe 10 beispielsweise mit einer M5-Schraube unter einem Befestigungsdrehmoment von 3,5 Nm zu erkennen.
  • In dem Leistungsmodul mit der zuvor erwähnten Struktur wird das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 gedrückt, wobei ein Kontakt zwischen dem flachen Flächenteil des Wärmeableitungssubstrats 20 und dem Harzgehäuse 6 und ein Kontakt zwischen dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 und der am Harzgehäuse 6 vorgesehenen Feder 14 besteht. Auf diese Weise wird das Wärmeableitungssubstrat 20 unter Verwendung von zwei oder mehr Flächen, einschließlich der flachen Fläche und der geneigten Fläche des Wärmeableitungssubstrats 20, gegen die Kühlrippe 10 gedrückt. Dies kann eine Biegeverschiebung des Harzgehäuses 6 unterbinden, wenn das Harzgehäuse 6 mit einer Schraube an der Kühlrippe 10 befestigt wird. Dadurch wird erzielt, dass eine Belastungsabnahme im Füllharz 9 stattfindet, so dass das Auftreten eines Risses im Füllharz 9 vermieden werden kann. Ferner werden als Ergebnis dessen, dass die Feder 14 am Harzgehäuse 6 vorgesehen ist, die Feder 14 und das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats 20 miteinander ausgerichtet. Dies ermöglicht eine Anbringung des Harzgehäuses 6 an einer Stelle, die im Hinblick auf das Wärmeableitungssubstrat 20 näher an der Innenseite liegt. Dies kann die Größe einer durch das Wärmeableitungssubstrat 20 zu verwendenden Fläche minimieren und die Gebrauchsmenge des Füllharzes 9 reduzieren. Im Ergebnis kann eine von einem Unterschied beim Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem Füllharz 9, dem Harzgehäuse 6 und dem Wärmeableitungssubstrat 20 herrührende Wärmeverformung reduziert werden. Ferner kann die Verwendung der Feder 14, die nicht aus dem einfach zeitlicher Veränderung unterliegenden Harz sondern aus gegen zeitliche Veränderung beständigem Metall hergestellt ist, eine zeitliche Veränderung von Kraft reduzieren, die aufgewendet wird, um das Wärmeableitungssubstrat 20 gegen die Kühlrippe 10 zu drücken. Dies lässt das Leistungsmodul über eine lange Zeit eine stabile Wärmebeständigkeit haben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metallbasis
    2
    Isolierschicht
    3
    Metallstruktur
    4
    Leistungshalbleiterelement
    5
    Klebstoff
    6
    Harzgehäuse
    7
    Anschluss
    8
    Aluminiumdraht
    9
    Füllharz
    10
    Kühlrippe
    11
    Hülse
    12
    Schraube
    13
    Druckteil, Metallteil
    13, 11, 6, 14
    Druckeinrichtungen
    14
    Feder, Metallfeder
    15
    Durchtrittsöffnung
    16
    Schraubenöffnung
    19
    Leistungshalbleiterelement
    20
    Wärmeableitungssubstrat
    21
    Hülse mit geneigtem Teil
    100, 200, 300, 400
    Leistungsmodul

Claims (8)

  1. Leistungsmodul, Folgendes aufweisend: ein Wärmeableitungssubstrat (20) mit einer flachen Fläche, auf der ein Leistungshalbleiterelement (19) angebracht ist, wobei ein geneigtes Teil an einem Endteilbereich des Wärmeableitungssubstrats (20) ausgebildet ist, wobei das geneigte Teil in einem konstanten Winkel in Bezug auf die flache Fläche geneigt ist; ein Harzgehäuse (6), das das Leistungshalbleiterelement umgibt, wobei das Harzgehäuse die besagte Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt; eine Kühlrippe (10), die eine entgegengesetzte Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt, die entgegengesetzt zu der flachen Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20) ist; und eine Andrückeinrichtung (13, 11, 6, 14), die das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) berührt, um das Wärmeableitungssubstrat (20) gegen die Kühlrippe zu drücken.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Andrückeinrichtung ein Metallteil (13) mit einem geneigten Teil ist.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Andrückeinrichtung eine Hülse (11) ist, die in einer in einem Außenumfang des Harzgehäuses ausgebildeten Durchgangsöffnung angeordnet ist.
  4. Leistungsmodul nach Anspruch 3, wobei die Hülse (11) ein geneigtes Teil hat, das in einem das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) berührenden Teil ausgebildet ist.
  5. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Andrückeinrichtung das Harzgehäuse mit einem geneigten Teil ist, das an einer dem geneigten Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) zugewandten Stelle ausgebildet ist.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die Andrückeinrichtung eine mit dem Harzgehäuse verbundene Metallfeder (14) ist.
  7. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) auf derselben Seite ausgebildet ist wie die besagte flache Fläche des Wärmeableitungssubstrats (20).
  8. Leistungsmodul nach Anspruch 7, wobei das geneigte Teil des Wärmeableitungssubstrats (20) zu einem Außenumfang des Wärmeableitungssubstrats (20) hin zu einer unteren Position geneigt ist.
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