DE19860415A1

DE19860415A1 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE19860415A1
Application number: DE1998160415
Authority: DE
Inventors: Alexander Stuck; Peter Steimer; Raymund Zehringer
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-06-29

Abstract

Ein Halbleitermodul weist Halbleiterelemente (6) auf, welche auf einem Basiselement (2) angeordnet sind und welche gegenüber einem mit dem Basiselement (2) in Wirkverbindung stehenden Kühlmedium mittels mindestens eines Isolationselements (3) elektrisch isoliert sind. Dieses mindestens eine Isolationselement (3) ist im wesentlichen hohlzylinderförmig gestaltet. Dabei ist es im Basiselement (2) angeordnet, wo es einen Kanal (30) zur Aufnahme des Kühlmediums bildet. Dieser Aufbau ermöglicht eine Isolation der Halbleiterelemente (6) gegenüber dem Kühlmedium unter Vermeidung von Elementen, welche Stellen mit überhöhtem elektrischen Feld aufweisen und somit zu Teilentladungen führen, welche die Spannungsfestigkeit des Moduls beeinträchtigen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs elektronik. Sie bezieht sich auf ein Halbleitermodul gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Ein derartiges Halbleitermodul ist beispielsweise aus R. Zehringer et al., Materials Research Society Symposium Procee dings, Volume 483, Power Semiconductor Materials and Devices, 1998, S. 369-380, bekannt. Diese Publikation beschreibt, wie in der beiliegenden Fig. 1 dargestellt ist, ein Halbleiter modul mit einem Modulgehäuse 1, einer metallenen Basisplatte 2 und mehreren darauf angeordneten, vom Modulgehäuse überdeckten Halbleiterelementen 6, in diesem Fall IGBT-Chips (Insulated Gate Bipolar Transistor) und Dioden. Das Modulgehäuse ist im allgemeinen mit einer Gelmasse 7 ausgefüllt, welche als elektrische. Isolationsschicht und als Korrosionsschutz dient sowie auf Verbindungsdrähte wirkende Zugkräfte vermindert.

Die Basisplatte ist mit einer Wasserkühlung 20 verbunden, um die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme abzuführen. Um die Halbleiterelemente gegenüber der Basisplatte und der Wasserkühlung elektrisch zu isolieren, ist zwischen Basis platte und Halbleiterelementen eine Keramikplatte 3 ange ordnet, welche beidseitig mit einer Metallschicht 4, 5 versehen ist. Dabei sind Basisplatte, Keramikplatte und Halbleiter elemente aufeinander gelötet, wobei die Metallschichten die Lötverbindung ermöglichen.

Diese meist rechteckförmigen Metallschichtungen wirken sich jedoch nachteilig auf die Spannungsfestigkeit des Halbleiter moduls aus. Im Betriebszustand des Halbleitermoduls weisen die zwei Metallschichten ein unterschiedliches Potentialniveau auf. Zwischen ihnen ist ein elektrisches Feld vorhanden, welches an den Kanten und vorallem an den Ecken am stärksten ist. Diese Feldüberhöhung führt zu Teilentladungen und begrenzt die Spannungsfestigkeit des gesamten Aufbaus.

Im Falle, dass das Modulgehäuse mit einer Gelmasse ausgefüllt werden soll, führen die Metallschichten zu einem weiteren Nachteil. Herstellungsbedingt weisen die Metallschichten geringere Abmessungen auf als die Isolationsplatte, welche somit an den Rändern vorsteht. Diese geringeren Abmessungen führen jedoch dazu, dass zwischen Basisplatte und Keramik platte eine von der Keramikplatte überdeckte kleine Kammer entsteht. Beim Füllen des Modulgehäuses mit der Gelmasse besteht die Gefahr, dass sich in diesem Hohlraum eine Luft blase bildet, wodurch die Funktionsfähigkeit des Halbleiter moduls beeinträchtigt würde.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Halbleitermodul der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine verbesserte Spannungsfestigkeit aufweist.

Diese Aufgabe löst ein Halbleitermodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Im erfindungsgemässen Halbleitermodul ist mindestens ein Halb leiterelement ohne elektrisch isolierende Zwischenschicht auf einem Basiselement angeordnet, welches mit einem Kühlmedium in Wirkverbindung steht. Das Basiselement, welches als Kühlblock wirkt, ist somit auf demselben Potential wie eine ihn kon taktierende Unterseite des Halbleiterelementes. Die elek trische Isolation des mindestens einen Halbleiterelementes gegenüber dem Kühlmedium erfolgt über ein Isolationselement, welches im Basiselement angeordnet ist und einen Kanal zur Aufnahme des Kühlmediums bildet. Der erfindungsgemässe Aufbau weist somit keine kritischen Randgebiete mit erhöhtem elektrischen Feld mehr auf, welche zu Teilentladungen führen könnten. Vorzugsweise ist das Isolationselement im wesentlichen hohlzylinderförmig gestaltet, wobei sein Querschnitt rund, halbrund oder ellipsenförmig sein kann.

Die äussere Form des erfindungsgemässen Halbleitermoduls ist sehr einfach, wird sie doch im wesentlichen durch das vorzugs weise quaderförmige Basiselement und den darauf angeordneten Halbleiterelementen definiert. Dadurch sind keine schwer zu gänglichen Kammern mehr vorhanden, in welchen sich Luftblasen fangen könnten. Das erfindungsgemässe Modul lässt sich somit auf einfache und schnelle Weise mit einer Gelmasse ausfüllen.

Vorzugsweise ist unterhalb von jedem Halbleiterelement ein Isolationselement angeordnet. Da das Basiselement im Bereich unterhalb jedes Halbleiterelementes die meiste Wärme aufnimmt, und die Wärme direkt in ihrem Kerngebiet abgeführt wird, ist die Effizienz der Kühlung erhöht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegen standes ist das Isolationselement auf seiner inneren Ober fläche mit einer Wärmeübertragungsschicht und/oder mit einer Strukturierung zur Vergrösserung der Oberfläche versehen, um den Wärmeübergang an das Kühlmedium zu verbessern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Isola tionselement an eine sogenannte Heat Pipe angeschlossen, welche Wärme vom Isolationselement zu ausserhalb des Basis elementes angeordneten Kühlkörpern leitet, wo die Wärme durch erzwungene Konvektion an die Umgebung abgegeben wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhän gigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevor zugten Ausführungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen Querschnitt durch ein schematisch darge stelltes Halbleitermodul inklusive Gehäuse gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 1b eine Aufsicht des Halbleitermoduls gemäss Fig. 1a ohne Gehäuse;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Halb leitermodul;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Halbleitermodul gemäss Fig. 2 und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Isolationselementes gemäss der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das erfindungsgemässe Halbleitermodul gemäss den Fig. 2 und 3 weist ein Basiselement 2, mindestens einen Chip oder Halb leiterelement 6 und mindestens ein Isolationselement 3 auf.

Das Basiselement 2 ist in der Regel ein quaderförmiger Block mit mindestens einer planen Oberfläche 21. Es ist vorzugsweise aus Metall oder einem Metall/Matrix-Komposit gefertigt, beispielsweise aus Aluminium-Siliziumkarbid (AlSiC) oder Kupfer-Siliziumkarbid (CuSiO). Die Abmessungen des Basis elementes hängen von der Art des Halbleitermoduls ab, typische Dicken sind jedoch 8-10 mm.

Die Halbleiterelemente 6 sind handelsübliche Bauteile, beispielsweise Dioden oder IGBT-Chips und werden deshalb im folgenden nicht genauer beschrieben. Die Halbleiterelemente 6 sind direkt, das heisst ohne eine dazwischenliegende elek trische Isolationsschicht, auf der planen Oberfläche 21 des Basiselementes 2 angeordnet, wobei sie im allgemeinen stoff schlüssig mit dem Basiselement 2 verbunden sind. Normalerweise sind sie gelötet.

Das mindestens eine Isolationselement 3 weist eine hohlzylin derförmige Gestalt auf, wobei ihr Querschnitt vorzugsweise mindesten annähernd rund ist. Im hier dargestellten Aus führungsbeispiel handelt es sich um ein Rohr. Die Abmessungen des Isolationselementes 3 hängen im wesentlichen von der Grösse des Basiselementes 2, der Grösse und Anzahl des Halb leiterelementes 6 sowie der Menge der abzuführenden Wärme ab. Typische Innendurchmesser liegen bei 2-3 mm, typische Wand stärken bei 1-2 mm. Üblicherweise ist das Isolationselement 3 aus Keramik gefertigt, wobei Aluminiumnitrit (AlN), Alu miniumoxid (Al₂O₃), Berilliumoxid (BeO), Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumnitrit (SiN) bevorzugte Materialien sind. Es lassen sich jedoch grundsätzlich auch andere elektrisch isolierende Materialien verwenden.

Die Isolationselemente 3 sind im Basiselement 2 angeordnet, welches hierfür Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der Isola tionselemente 3 aufweist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ragen die Isolationselemente vorzugsweise aus dem Basiselement 2 heraus, wodurch das Anschliessen von weiterführenden Leitungen erleichtert ist.

In einer ersten Variante sind die Isolationselemente 3 in das Basiselement 2 eingegossen. In einer anderen Variante werden die Isolationselemente 3 separat hergestellt und anschliessend in die Durchgangsbohrungen eingeführt. In diesem Fall ist vor zugsweise zwischen Basiselement und Isolationselement ein Gleitmittel vorhanden, um einen luftspaltfreien Wärmeübergang zu gewährleisten.

Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, ist jeweils unterhalb von jedem Halbleiterelement 6 ein Isolationselement 3 ange ordnet, wobei mehrere in einer Reihe angeordnete Halb leiterelemente 6 demselben Isolationselement 3 zugeordnet sein können.

Jedes Isolationselement 3 bildet einen Kanal 30 zur Aufnahme eines Kühlmediums, welches die vom Halbleiterelement 6 erzeugte Wärme abführt. Dadurch ist das als Kühlblock wirkende Basiselement 2 und somit die auf ihm angeordneten Halb leiterelemente 6 gegenüber dem Kühlmedium elektrisch isoliert. Die lichte Weite des Kanals 30 ist entsprechend der zu erbrin genden Kühlleistung bemessen.

Im allgemeinen wird durch den Kanal 30 ein Kühlfluid geleitet, beispielsweise Wasser. Es ist jedoch auch möglich, eine soge nannte Heat Pipe, welche die Wärme nach aussen an eine Kon vektions-Kühlstruktur liefert, in das Isolationselement 3 ein zuführen.

In dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungs beispiel ist das Isolationselement 3 auf seiner inneren Ober fläche mit einer Wärmeübertragungsschicht 8 versehen, welche einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, um eine gute Wärmeübertragung an das Kühlmedium zu gewährleisten. Beispielsweise lässt sich hierfür ein Metall verwenden. Anstelle einer Beschichtung lässt sich auch ein Wärmeübergang schaum, insbesondere ein metallischer Schaum, einsetzen.

In einer anderen, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weist die innere Oberfläche des Isolationselementes 3 eine Oberflächenstrukturierung 9 auf, um so die wärmeübertragende Fläche zu erhöhen. Diese Oberflächenstrukturierung 9 kann direkt in die Keramik eingeformt oder, wie hier dargestellt, durch eine Beschichtung mit hohem Wärmeübertragungskoeffizien ten gebildet sein.

Bezugszeichenliste

1

Modulgehäuse

2

Basiselement

20

Wasserkühlung

21

plane Oberfläche

3

Isolationselement

30

Kanal

4

erste Metallschicht

5

zweite Metallschicht

6

Halbleiterelement

7

Gel

8

Wärmeübergangsschicht

9

Oberflächenstrukturierung

Claims

1. Halbleitermodul mit mindestens einem Halbleiterelement (6), welches auf einem Basiselement (2) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Halbleiterelement (6) gegenüber einem mit dem Basiselement (2) in Wirkverbindung stehendem Kühlmedium mittels mindestens eines Isolationselements (3) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Isolationselement (3) im Basiselement (2) angeordnet ist, wobei es einen Kanal (30) zur Aufnahme des Kühlmediums bildet.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (3) im wesentlichen hohlzylinderförmig gestaltet ist.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb von jedem Halbleiterelement (6) ein Isola tionselement (3) im Basiselement (2) angeordnet ist.

4. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Halbleiterelement (6) direkt auf das Basiselement (2) gelötet ist.

5. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (3) auf seiner inneren Ober fläche mit einer Wärmeübergangsschicht (8), insbesondere einer Metallschicht, versehen ist.

6. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (3) auf seiner inneren Ober fläche mit einem Wärmeübergangsschaum, insbesondere einem metallischen Schaum, versehen ist.

7. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (30) innenseitig strukturiert ist.

8. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am mindestens einen Isolationselement (3) eine Heat Pipe angeschlossen ist.

9. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (3) aus einer Keramik, insbe sondere Aluminiumnitrit (AlNi), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Berilliumoxid (BeO), Siliziumnitrit (SiN) oder Siliziumkarbid (SiC) besteht.

10. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (2) aus einem Metall oder einem Metall-Matrix-Komposit, insbesondere aus Aluminium-Sili ziumkarbit (AlSiC) oder Kupfer-Siliziumkarbit (CuSiC), gefertigt ist.