DE19904279A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Halbleitervorrichtung aufgezeigt, welche mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halbleitergehäuse umfaßt, daß auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist. Es ist mindestens ein Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe an dem Kühlkörper (20) befestigt ist. Es ist ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material vorgesehen, die mindestens den Kühlkörper (20) im wesentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere Umgebungsluft abführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit minde­ stens einem Leistungshalbleiter, mindestens einem Kühlkörper und einem Gehäuse. Besonders geeignet ist die Halbleitervor­ richtung für Frequenzumrichter von Elektromotoren, z. B. in Form von Gleichrichtern, in der Verwendung in Endstufen oder im Bremschopper eines Frequenzumrichters von Elektromotoren.

Aus der Betriebsanleitung MOVIDRIVE der Firma SEW aus dem Jahr 1997 ist ein Frequenzumrichter für Elektromotoren be­ kannt. Der Frequenzumrichter umfaßt in seinem Leistungselek­ tronik umfassenden Teil einen Gleichrichter und eine Endstu­ fe.

Der Frequenzumrichter umfaßt auch ein Gehäuse aus Kunststoff. Dieses Gehäuse wird beim Kunststoffgießen oder beim Kunst­ stofftiefziehen gefertigt. Im ersten Fall wird Kunststoffgra­ nulat erwärmt und in ein von einem Werkzeug vorgegebenen Vo­ lumen eingepreßt. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ein Gehäu­ se aus Kunststoff, dessen Form mit der Form des Werkzeuges innerhalb der Toleranzen übereinstimmt. Beim Kunststoff­ tiefziehen wird eine erwärmte Kunststoffolie bzw. Kunststoff­ fläche durch Vakuum oder Unterdruck auf das Werkzeug aufge­ bracht. Nach Abkühlen ist das Endprodukt ebenfalls ein Gehäu­ se aus Kunststoff.

Die Endstufe ist durch eine Vielzahl von elektronischen Lei­ stungsschaltern, insbesondere IGBT-Transistoren, realisiert.

Diese Leistungsbauelemente, wie Leistungstransistoren und Leistungsdioden, sind als Chip gefertigt. Sie produzieren während des Betriebs eine erhebliche Wärmemenge, die abge­ führt werden muß. Da der Wärmeleitungsübergang zur Luft einen großen Wärmeübergangswiderstand aufweist, kann nur wenig Wär­ me in dieses praktisch unendlich große Wärmereservoir abge­ führt werden. Ohne Ankopplung des Leistungsbauelementes an ein großes Wärmereservoir mit Hilfe eines kleinen Wärmeüber­ gangswiderstands erhitzt sich das Leistungsbauelement so stark, daß es zerstört wird.

Aus dem Datenbuch der Firma Siemens "Sipmos-Halbleiter" des Jahres 1993 sind Gehäusebauformen, wie beispielsweise T0220, bekannt, bei denen der Chip auf eine Kupferplatte aufgebracht ist und somit seine Wärme an diese Kupferplatte abgeben kann. Diese Kupferplatte liegt meist auf Kollektorpotential und hat einen kleinen Wärmeübergangswiderstand zum Chip.

Allerdings ist die Wärmekapazität der Kupferplatte nicht ge­ nügend groß. Die Kupferplatte dient also nur der sogenannten Wärmespreizung. Dies bedeutet, daß die Wärme des Chip auf ei­ ne größere Fläche verteilt wird, die Temperatur aber nur un­ wesentlich sinkt. Die Kupferplatte muß zusätzlich an eine größere Wärmekapazität angekoppelt werden. Dabei ist die Ver­ größerung der Kontaktfläche von Vorteil, da somit zwar nicht der spezifische aber der eigentliche Wärmewiderstand sinkt.

Diese Wärmespreizung ist also besonders notwendig, wenn zwi­ schen Kupferplatte und der größeren Wärmekapazität sich bei­ spielsweise ein Keramikplättchen zur elektrischen Isolation befindet, wodurch der Wärmeübergang einen im Vergleich zur direkten Ankopplung ohne Keramikplättchen hohen Wärmeüber­ gangswiderstand hat.

Die Vielzahl von elektronischen Leistungsbauelementen, wie Leistungsschalter der Endstufe oder dergleichen, wird bei einem Einsatz dieser Gehäusebauformen auf eine dünne elek­ trische Isolierschicht, beispielsweise ein spezielles Kera­ mikplättchen, aufgesetzt, an die sich dann ein Kühlkörper für alle Leistungsschalter anschließt. Die elektrische Iso­ lierschicht ist notwendig, da die Kupferplatten der ver­ schiedenen Leistungsschalter nicht alle auf gleichem Poten­ tial liegen.

Aus dem Datenbuch "IGBT-Module" der Firma Siemens aus dem Jahre 1996 und aus dem Datenbuch der Firma Semikron aus dem Jahre 1997 sind Leistungsmodule bekannt, die eine Vielzahl von Chips der Leistungsschalter tragen. Dabei sind die Chips ohne obengenannte TO220 Gehäuse ausgeführt, sondern direkt auf eine breite Kupferschicht aufgesetzt, die der Wärme­ spreizung dient. Diese Kupferschicht ist auf einem Keramik­ plättchen aufgebracht. Dieses Keramikplättchen ist entweder direkt oder wiederum mit einer Kupferschicht an den Kühlkör­ per angebracht.

Zur Verkleinerung der Wärmeübergangswiderstände wird zusätz­ lich vom Fachmann Wärmeleitpaste verwendet. Diese wird vor dem Aneinandersetzen zweier Flächen aufgebracht und füllt auch kleinste Lücken aus.

Bei den oben erwähnten Anordnungen müssen die einzelnen Lei­ stungsbauelemente, wie erwähnt, durch eine Isolierschicht gegen den Kühlkörper isoliert werden. Diese Isolierschicht stellt für die Wärmeabfuhr aus dem Leistungsbauelement her­ aus einen zusätzlichen Wärmewiderstand dar. Als Gegenmaßnah­ me wird der schon erwähnte Effekt der Wärmespreizung durch Kupferplättchen genutzt. Dabei wird die Wärme auf eine grö­ ßere Fläche verteilt. Die Temperatur dieser Fläche wird zwar nur wenig herabgesetzt, aber der Wärmestrom durch die Iso­ lierschicht hindurch wird vergrößert, da die Kontaktfläche vergrößert und damit der eigentliche Wärmeübergangswider­ stand verkleinert wurde.

Das Fertigen und Montieren der Isolierschicht bedingt einen erhöhten Arbeitsaufwand und erhöhte Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor­ richtung aufzuzeigen, welche Wärme gut abführt und dennoch in einfacher Weise eine elektrische Isolierung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, welche aufweist:

• - mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halblei­ tergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
• - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Ma­ terial, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
• - ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht leitendem Material, die mindestens den Kühlkörper im we­ sentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungs­ halbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere an Umgebungsluft abführbar ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der thermische Ge­ samtwiderstand der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung im wesentlichen genauso groß ist, wie derjenige, der bei Montage des Halbleitergehäuses unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht auf einem Kühlkörper vorliegt. Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung hat also den Vorteil, daß das Gehäuse selbst schon vorhanden ist, während bei konventionellen Bau­ teilen ein zusätzliches Gehäuse bzw. eine zusätzliche Isolie­ rung vorgesehen werden muß.

Es sei hier betont, daß eine einfache Lackierung des Kühlkör­ pers nicht die erfindungsgemäß geforderte Gehäusefunktion (mit ihrer Isolierwirkung) erfüllt.

Vorzugsweise ist der Kühlkörper mit dem nicht-leitenden Mate­ rial der Gehäusewand direkt verbunden, insbesondere mit dem Material umgossen, umspritzt oder in einem Tiefziehverfahren mit dem Gehäusematerial so eng umgeben, daß keine Luftschicht zwischen dem Gehäusematerial und dem Kühlkörper verbleibt. In einfacher Weise und darum mit geringen Montagekosten bzw. mit einem geringen Montageaufwand ist somit das Gehäuse nach dem Umspritzen der Kühlkörper schon fertig.

Vorzugsweise weist das Gehäuse Montageeinrichtungen zur Mon­ tage des Gehäuses samt Kühlkörpern und Leistungshalbleitern an einer Platine, einem Schaltkasten oder dergleichen Trä­ gereinrichtung auf. Es hält also das Gehäuse die Kühlkörper und diese die Leistungshalbleiter, so daß nach Befestigung des Gehäuses die Gesamtanordnung montiert ist. Es ist auch möglich, die Platine oder Teil-Platinen an den Anschlußfahnen der Leistungshalbleiter zu befestigen, wobei gleichzeitig die notwendigen elektrischen Verbindungen geschaffen werden.

Der Kühlkörper weist vorzugsweise eine Wärmekapazität auf, welche diejenige des Halbleitergehäuses wesentlich über­ steigt. Auf diese Weise ist es möglich, plötzlich auftretende Wärmemengen direkt vom Halbleiter zum Kühlkörper abfließen zu lassen, so daß die bei Spitzenbelastungen auftretende Erwär­ mungen für den Halbleiter im wesentlichen unschädlich sind.

Vorzugsweise umgibt das Gehäuse den Kühlkörper mindestens ab­ schnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung ge­ genüber der Umgebung, so daß eine erhöhte Sicherheit gewähr­ leistet wird. Das Gehäuse umfaßt vorzugsweise eine Berüh­ rungsschutzeinrichtung, insbesondere ein vorzugsweise ein­ stückig angeformtes Gitter oder dergleichen, so daß bedienen­ de Personen geschützt werden.

Es ist möglich, das Gehäuse mit Zirkulationseinrichtungen, wie Lüftungsschlitzen, Strömungskanälen, Montageeinrichtungen für Lüfter oder dergleichen Vorrichtungen zur Erhöhung der Wärmeabgabe an das umgebende Medium auszustatten, wobei diese Vorrichtungen ebenfalls einstückig angeformt werden und die Herstellungskosten somit senken.

Man kann einzelne Kühlkörper zur Befestigung eines einzelnen Halbleiters oder auch mehrer Halbleiter in einem Gehäuse an­ bringen, wenn diese mehreren Halbleiter mit ihrem Gehäuse auf demselben Potential liegen. Vorzugsweise werden in einem Ge­ häuse mehrere Kühlkörper elektrisch isoliert voneinander ge­ meinsam gehalten, was den Aufbau erheblich vereinfacht und die Verwendung der Anordnung auch dann ermöglicht, wenn die Halbleitergehäuse auf verschiedenen Potentialen liegen. In jedem Fall werden auch hier wieder die Montagekosten ganz er­ heblich gesenkt.

Beim Herstellen der Halbleitervorrichtung, die mindestens ei­ nen Leistungshalbleiter mit einem Halbleitergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist und mindestens ein Kühlkörper aus elektrisch leitendem Mate­ rial, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärme­ abgabe an den Kühlkörper befestigt ist, sowie ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus nicht-leitendem Material umfaßt, die mindestens den Kühlkörper im wesentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Halbleiter an den Kühlkörper abgegebene Wärme durch die Gehäusewand an ein umgebendes Medium, insbesondere an Umgebungsluft abführbar ist, gießt man das Gehäuse aus Kunststoff an den mindestens einen Kühlkörper an, spritzt es an oder formt es unter Verwendung des Kühlkörpers als Tiefziehform oder Tiefziehstempel an den Kühlkörper an. In einem einzigen Verfahrensschritt wird somit die Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse geschaffen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit angegossenem Gehäuse,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1 und

Fig. 3 ein perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit Kühlkörper und Halbleiter samt Platine.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Wie in Fig. 1 schematisiert dargestellt, sind drei Kühlkörper 20, 20', 20", die jeweils eine Gewindebohrung 22 zum Befesti­ gen eines Leistungshalbleiters 10 (siehe Fig. 2) aufweisen, nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse 30 eingegossen. Die Gehäusewand 31 schmiegt sich also im wesentlichen ohne jegli­ che Luftschicht an die Kühlkörper 20 an und hält sie als "Paket" gemeinsam fest. Auf planen, unisolierten Oberflächen 23 werden Leistungshalbleiter 10 mit ihren Gehäusen 11 bzw. den dazugehörigen Anschlußplatten 12 mittels Befestigungs­ schrauben 14 derart unmittelbar befestigt, daß ein extrem niedriger Wärmeübergang zwischen den Gehäusen 11 bzw. den Montageplatten 12 und den dazugehörigen Kühlkörpern 20 si­ chergestellt ist. Eine elektrische Isolierung ist auch dann nicht notwendig, wenn mehrere Halbleiter mit Kühlkörpern ver­ bunden und zusammen montiert werden sollen und dabei ihre Ge­ häuse 10 bzw. Montageplatten 12 auf verschiedenen Potentialen liegen. Es sind nämlich, wie in Fig. 1 gezeigt, die verschie­ denen Kühlkörper 20, 20', 20" voneinander beabstandet in dem aus Kunststoff gefertigten Gehäuse 30 gehalten, so daß sie voneinander elektrisch isoliert sind.

Die gesamte Einheit, bestehend aus Gehäuse 30, den darin ge­ haltenen Kühlkörpern 20, 20', 20" und darauf befestigten Halbleitern 10 kann man mittels Befestigungseinrichtungen, die in Fig. 1 durch Gewindebohrungen 32 schematisiert ange­ deutet sind, an einem dafür vorgesehenen Ort bzw. dafür vor­ gesehenen Gegenstand befestigen, z. B. in einem Schaltkasten eines Elektromotors.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante sind die Halbleiter 10, 10' mit ihren Anschlußfahnen 13 an einer Platine 33 befestigt (angelötet). Die Halbleiter 10, 10' werden auf Kühlkörper 20, 20' so aufgeschraubt, daß sie eine sehr enge, wärmeleitende Verbindung zu den Kühlkörpern 20, 20' aufweisen.

In Fig. 3 sind zwei Varianten aufgezeigt, wobei die Kühlkör­ per 20 voneinander elektrisch isoliert durch das Gehäuse 30 gehalten sind, während der Kühlkörper 20' einstückig ausge­ bildet ist und die darauf befestigten Halbleiter 10' darum in einer elektrischen Verbindung miteinander stehen. Aus dieser Darstellung geht auch hervor, daß das Gehäuse 30 in seiner Gestalt sehr variabel ausgebildet sein kann, also nicht nur (wie in Fig. 1 und 2 gezeigt) als Minimalgehäuse ausgebildet sein muß, das den oder die Kühlkörper eng umgibt. Es ist wei­ terhin möglich (in den Darstellungen der Einfachheit halber jedoch nicht gezeigt), Lüftungseinrichtungen, wie Strömungs­ kanäle, Halterungen für Lüfter oder dergleichen am Gehäuse mit anzuformen bzw. in dieses zu integrieren.

Bezugszeichenliste

10

Leistungshalbleiter

11

Halbleitergehäuse

12

Montageplatte

13

Anschlußfahne

14

Befestigungsschraube

15

Kühlkörper

16

Kühlrippen

17

Gewindebohrung

18

Oberfläche

19

Gehäuse

20

Gehäusewand

21

Montageeinrichtung

22

Platine

Claims (9)

1. Halbleitervorrichtung umfassend

• - mindestens einen Leistungshalbleiter (10, 10') mit einem Halbleitergehäuse (11, 12), das auf einem elektrischen Betriebspotential liegt und unisoliert ist;
• - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmittelbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
• - ein Gehäuse (30) mit einer Gehäusewand aus elek­ trisch nicht-leitendem Material (31), die mindestens den Kühlkörper (20) im wesentlichen derart unmittel­ bar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter (10) an den Kühlkörper (20) abgegebene Wärme auch durch die Ge­ häusewand (31) an ein umgebendes Medium, insbeson­ dere an Umgebungsluft abführbar ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (30) mehrere Kühlkörper (20, 20', 20") elektrisch isoliert voneinander gehalten sind.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) mit dem nicht-leitenden Material (31) direkt verbunden, insbesondere mit dem Material (31) umgossen, umspritzt oder in einem Tiefziehverfahren umgeben ist.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) Montageeinrichtungen (32) zur Montage des Gehäuses (30) samt Kühlkörper (20) und Leistungshalbleiter (10) an einer Platine (33), einem Schaltkasten oder dergleichen Trägereinrichtung aufweist.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (20) eine Wärmekapazität aufweist, welche diejenige des Halbleitergehäuses (11, 12) wesentlich übersteigt.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) den Kühlkörper (20) mindestens abschnittsweise zur Bildung einer elektrischen Isolierung gegenüber der Umgebung umgibt.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) eine Berührungsschutzeinrichtung, insbesondere ein vorzugsweise einstückig angeformtes Gitter umfaßt.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) Zirkulationseinrichtungen, wie Lüftungsschlitze, Strömungskanäle, Montageeinrichtungen für einen Lüfter oder dergleichen Vorrichtungen zur Erhöhung der Wärmeabgabe an das umgebende Medium aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, umfassend

• - mindestens einen Leistungshalbleiter mit einem Halb­ leitergehäuse, das auf einem elektrischen Betriebs­ potential liegt und unisoliert ist;
• - mindestens einen Kühlkörper aus elektrisch leitendem Material, auf dem das Halbleitergehäuse zur unmit­ telbaren Wärmeabgabe mit gutem Wärmeübergang zum Kühlkörper hin elektrisch nicht isoliert befestigt ist.
• - ein Gehäuse mit einer Gehäusewand aus elektrisch nicht-leitendem Material, die mindestens den Kühl­ körper im wesentlichen derart unmittelbar umgibt, daß vom Leistungshalbleiter an den Kühlkörper abge­ gebene Wärme auch durch die Gehäusewand an ein umge­ bendes Medium, insbesondere Umgebungsluft abführbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Kunststoff an dem mindestens einen Kühl­ körper angegossen, angespritzt oder unter Verwendung des Kühlkörpers als Tiefziehform oder Tiefziehstempel so an­ geformt ist, daß die Gehäusewand den mindestens einen Kühlkörper nach dem Tiefziehen eng umgibt.