DE4421319A1 - Niederinduktives Leistungshalbleitermodul - Google Patents

Niederinduktives Leistungshalbleitermodul

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs­ halbleiterelektronik.
Sie geht aus von einem Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Stand der Technik
Ein solches Leistungshalbleitermodul wird bereits in der Offenlegungsschrift DE 39 37 045 A1 beschrieben.
Ein Leistungshalbleitermodul umfaßt in der Regel mehrere Halbleiterbauelemente, die zu einer logischen Funktions­ einheit zusammengefaßt werden können. Beispiele sind Gleichrichter, Einzelschalter mit antiparalleler Diode oder Phasenbausteine. Module unterscheiden sich von den heute im Hochleistungs-Halbleiterbereich üblichen Schei­ benzellen im wesentlichen dadurch, daß Kühlung und Lei­ stungsanschlüsse voneinander elektrisch isoliert sind.
Solche Module (Thyristor-, Transistor, IGBT-, MOSFET-, Dioden-Module) sind heute im Leistungsbereich bis zu 1200 V und einige 100 A weit verbreitet und werden vor allem in Industrieantrieben eingesetzt. Module für hohe Ströme bestehen in der Regel aus einer Anzahl von Einzel-Bau­ steinen, die im Modul parallelgeschaltet werden, oder es werden gleich mehrere Module parallel geschaltet.
Gegenwärtig sind der Leistungsfähigkeit der Module im Hinblick auf Stromtragfähigkeit und maximale Blockier­ spannung durch folgende Probleme nach oben hin Grenzen gesetzt:
  • - Die parasitäre Induktivität des inneren Aufbaus ei­ nes Moduls erlaubt nicht, beliebig viele Bauelemente parallel zu schalten. Ein- und Ausschaltvorgänge würden zu unzulässigen Schwingungen führen. Zudem ist die Fläche der einzelnen Bauelemente, die man parallel schaltet, aus Gründen der Herstellungsko­ sten und Zuverlässigkeit nicht beliebig zu steigern.
  • - Mit zunehmender Modul-Grundfläche steigen die Zuver­ lässigkeitsprobleme an, speziell im Hinblick auf die zu fordernde Festigkeit gegen Temperaturwechsel, da die mechanische Belastung mit zunehmender Baugröße und aufgrund der unterschiedlichen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe immer größer wird.
  • - Für die für Bauelemente mit hoher Blockierfestigkeit geforderte Isolationsfestigkeit sind in der Regel die mit einem herkömmlichen Modul zu erzielenden Kriechwege zu gering.
  • - Der thermische Widerstand eines konventionellen Mo­ duls ist im Vergleich zu einem Aufbau mit Scheiben­ zellen relativ hoch. Der Grund hierfür ist die Tren­ nung des thermischen und des elektrischen Kontaktes, was die Verwendung von Werkstoffen erfordert, die im Vergleich zu Metallen geringe thermische Leitfähig­ keit aufweisen und die die Kühlung nur eines der Hauptanschlüsse der Bauelement ermöglicht. In einer Scheibenzelle können beide Hauptelektroden gekühlt werden.
  • - Ein Modul wird mit Schrauben (typisch an allen vier Ecken) auf eine Kühlplatte oder einen Kühlkörper ge­ schraubt. Für ein sehr großflächiges Modul kann da­ mit der sichere, thermisch gut leitende Kontakt in der Mitte der Grundfläche problematisch werden und sich während des Betriebes im Laufe der Zeit verän­ dern.
  • - Die Hauptanschlüsse sind bei einem Modul nebeneinan­ der auf der Oberseite des Moduls angeordnet. Damit ist vorgegeben, daß für den Gleichspannungsan­ schluß eine Stromschleife und damit eine Induktivi­ tät entsteht.
In der eingangs erwähnten Offenlegungsschrift DE 39 37 045 von R. Bayerer et al wird deshalb versucht, die Streuinduktivität zur verringern und eine Geometrie an­ zugeben, welche für eine größere Zahl von Leistungstran­ sistoren geeignet ist. Zu diesem Zweck bestehen die drei Hauptanschlußleitungen aus breiten Bändern, die in ge­ ringem Abstand zueinander angeordnet sind und aufgrund ihrer geometrische Anordnung eine Anschlußbandleitung bilden. Die vertikal zum Modulboden geführten Leitungen erfordern eine relativ komplizierte Verbindungstechnik und erschweren die ausreichende elektrische Isolation un­ tereinander, insbesondere wenn die Induktivität gering sein soll.
In der Offenlegungsschrift DE 41 03 486 A1 von H. J. Kro­ koszinksi et al wird dagegen versucht, die Wärmeabfuhr zu verbessern, indem ein Modul von beiden Seiten gekühlt wird. Nachteilig ist jedoch daran, daß das Kühlmedium auch die Gleichspannungsanschlüsse umspült und somit elektrisch isolierend sein muß (z. B. deionisiertes Was­ ser). Zudem bilden die Gleichspannungsanschlüsse auch eine Leiterschleife.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Leistungshalbleitermodul anzugeben, das für höchste Lei­ stungen geeignet ist bei welchem die vorstehend genannten Probleme gelöst werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An­ spruchs gelöst.
Kern der Erfindung ist es also, daß auf beiden Seiten eines Kühlkörpers Leistungshalbleiterbaugruppen vorgese­ hen sind und daß diese durch ein niederinduktives Kon­ taktblechpaket kontaktiert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leistungshalbleiterbaugruppen auf je der Seite des Kühlkörpers eine Hälfte eines Halbbrücken­ moduls bilden. Die Leistungshalbleiterbaugruppen umfassen vorzugsweise ein Substrat, auf welches mindestens ein Leistungshalbleiterschalter mit antiparalleler Diode auf­ gebracht ist. Der Kühlkörper wird vorteilhafterweise von einer Kühlflüssigkeit durchflossen, und die ganze Anord­ nung wird in ein Schutzgehäuse integriert.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent­ sprechenden Unteransprüchen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht insbe­ sondere darin, daß das Modul eine ausreichende Kühlung aufweist, denn auf beiden Seiten des Kühlkörpers sind Baugruppen angebracht und die Baugruppen werden direkt auf den Kühlkörper montiert. Damit entfällt gegenüber be­ kannten Modulen der Wärmeübergang vom Modul zum Kühler.
Die Verwendung von Platten zur Kontaktierung, die zudem auf der Gleichspannungsseite keine Umlenkung des Stromes erfordern, ermöglicht es, die Induktivität minimal zu halten. Damit kann auch innerhalb des Moduls bzw. der Baugruppe eine große Anzahl kleinflächiger Bauelemente problemlos parallelgeschaltet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu­ tert.
Es zeigen:
Fig. 1 Die Schaltungsanordnung einer Halbbrücke;
Fig. 2 Ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul im Schnitt; und
Fig. 3 Eine Aufsicht auf eine Leistungshalbleiterbau­ gruppe.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de­ ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge­ faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Eine der Hauptanwendungen von schaltbaren Hochleistungs- Bauelementen sind Inverterschaltungen zur Erzeugung von Wechselspannung aus einer Gleichspannung. Für diese An­ wendung werden pro Phase jeweils zwei Schalter und dazu­ gehörige Dioden benötigt. Diese sogenannte Halbbrücke stellt den kleinsten logischen Baustein für eine Inver­ terschaltung dar. Ein solche Halbbrücke ist in Fig. 1 dargestellt.
Für höchste Leistungen kann bis heute eine Halbbrücke nur aus zwei Einzelschaltmodulen zusammengesetzt werden, da die Integration der gesamte Funktion in nur ein Modul zu einem sehr großflächigen Modul führen würde, was auf­ grund der vorne erläuterten Begrenzungen nicht möglich ist.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Halbbrückenmodul, das für höchste Leistungen geeignet ist. Ein solches Mo­ dul ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt. Es umfaßt einen Kühlkörper (3), der von Kühlkanälen (7) durchzogen ist und Anschlüsse (6) für ein Kühlmedium (z. B. Wasser mit Frostschutz-Zusatz) aufweist. Auf beiden Seiten des Kühlkörpers (3) sind Substrate (8) angebracht. Die Sub­ strate (8) bestehen aus einem elektrisch isolierenden aber dennoch gut wärmeleitfähigen Material wie z. B. Alu­ miniumoxid, Aluminiumnitrid oder Beryliumoxid. Je nach Material des Kühlkörpers werden diese Substrate entweder aufgelötet (z. B. DCB Aluminiumoxidkeramik auf Kupfer) oder aufgeklebt (z. B. Aluminiumnitridkeramik auf Alumi­ nium). Auch andere Verbindungstechniken wie Plasmasprit­ zen sind denkbar.
Jeweils auf der Oberseite der Substrat (8) werden bereits vorher die einzelnen Bauelemente (z. B. IGBTs und Dioden) montiert, miteinander verbunden und vorgetestet. Eine Aufsicht auf ein solches bestücktes Substrat (8) ist in Fig. 3 dargestellt.
Im einem realisierten Ausführungsbeispiel umfassen die montierten Bauteile jedes Substrats die Funktion eines Leistungshalbleiterschalters (10) mit antiparallel ge­ schalteter Diode (11). Der Leistungshalbleiterschalter (10) und die Diode (11) können ihrerseits aus mehreren diskreten Bauelementen zusammengesetzt sein. Im allgemei­ nen Fall bildet ein bestücktes Substrat (8) ein Lei­ stungshalbleiterbaugruppe (2) mit im Prinzip beliebiger Funktion.
Diese Leistungshalbleiterbaugruppen (2) werden nun mit­ tels geeignet geformter, elektrisch leitender Kontaktble­ che (4) kontaktiert. Die Bleche (4) bestehen vorzugsweise aus dem gleichen oder einem bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den Kühlkörper (3) angepaßten Werkstoff. Zwischen den einzelnen Blechen (4) sind nicht dargestellte Isolierplatten eingelegt. Die Kontakt­ bleche (4) und die Isolierplatten werden zu einem Stapel verbunden (z. B. verklebt) und mit dem Kühlkörper (3) me­ chanisch verbunden.
Diese Blechpakete dienen nun auf beiden Seiten der Kühl­ körper (3) zur niederinduktiven Verbindung der einzelnen Substrate (8). Die Substrate werden mit Hilfe von Bond- oder Lötverbindungen (je nach Werkstoff der Bleche) an das jeweilige Blechpaket angeschlossen.
Im aufgebauten Ausführungsbeispiel stellten die Substrate (8) auf jeder Seite des Kühlkörpers (3) die erwähnte Ein­ zelschaltereinheit dar. Demzufolge umfaßte jede Seite des Kühlkörpers (3) eine "Viertelbrücke" und das gesamte Modul (1) stellte eine Halbbrücke dar. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, weist eine solche Halbbrücke einen Plusan­ schluß (12), einen Minusanschluß (13) und einen Wech­ selspannungsanschluß (14) auf. Die Schalter (10) werden über einen Steueranschluß (15, 16) ein- und ausgeschal­ tet. Zur Fehlerüberwachung kann außerdem je ein Meßan­ schluß (17, 18) vorgesehen sein. Demzufolge umfaßt das Kontaktblechpaket zur Kontaktierung eines solchen Halb­ brückenmoduls (1) die entsprechende Anzahl Kontaktbleche (4).
Vorzugsweise werden die Kontaktbleche (4) für die Haupt­ anschlüsse (Plus-, Minus-, AC-Anschluß) wie Fig. 2 dar­ gestellt angeordnet. Von der einen Seite werden die Gleichspannungsanschlüsse (12 und 13) herangeführt, von der anderen Seite der Wechselspannungsanschluß (14). Dieser bildet gleichzeitig die Verbindung zwischen den auf verschiedenen Seiten des Kühlkörpers (3) angeordneten Viertelbrücken.
Auf den Substraten (8) sind zur Kontaktierung der Bauele­ mente (10 und 11) mit den Kontaktblechen (4) entweder Leiterbahnen (9) aufgebracht oder die Bauelemente werden direkt mit den Kontaktblechen (4) verbunden. Im Falle des realisierten Moduls wurde die Verbindung der Kathode der Diode (11) mit dem einer Anode entsprechenden Anschluß des Leistungshalbleiterschalters (10) direkt dadurch her­ gestellt, daß die beiden Bauelemente mit ihren Untersei­ ten auf das Substrat gelötet wurden.
Schließlich wird das so entstandene Modul (1) gegen Ein­ wirkungen von außen geschützt, indem es mit einem Ge­ häuse (5) versehen und z. B. mit einem Silikon-Gel vergos­ sen wird.
Da die beiden Gleichspannungsanschlüsse (12, 13) nicht wie bei herkömmlichen Modulen nebeneinander sondern über­ einander liegen, entsteht keine Stromschleife und damit keine zusätzliche Induktivität. Ist die Gleichspannungs­ versorgung ebenfalls, wie es im übrigen dem heutigen Stand der Technik entspricht, in Form übereinanderliegen­ der Platten ausgeführt, so kann das Modul optimal mittels Schraub-, bevorzugterweise aber Steckverbindungen, ange­ schlossen werden. Das gezeigte Ausführungsbeispiel geht von einer Steckverbindung auf der DC-Seite aus. Der Mit­ telsteg aus isolierendem Material führt den Stecker (z. B. keilförmig) und sorgt gleichzeitig für die Einhaltung der notwendigen Kriechwege.
Ein solches Modul (1) erfüllt nun alle Forderungen, die an eine Halbbrückenmodul oder allgemein an ein Leistungs­ halbleitermodul höchster Leistung gestellt werden:
  • - Ausreichende Kühlung: Dadurch, daß die Bauelemente elektrisch isoliert direkt auf einen Kühlkörper (3) montiert werden, entfällt gegenüber Modulen nach dem Stand der Technik der Wärmeübergang vom Modul zum Kühler. Der für das realisierte Modul berechnete und experimentell bestätigte Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Kühlmedium liegt etwa einen Faktor zwei unter dem Wert, der heute für konventionelle Module erzielbar ist. Dieser Wert ist damit auch ge­ ringer als derjenige kommerziell erhältlicher Schei­ benzellen.
  • - Niederinduktiver Aufbau: Die Verwendung von Platten, die zudem auf der Gleichspannungsseite (dort ist die Induktivität kritisch) keine Umlenkung des Stro­ mes erfordern, ermöglicht es, die Induktivität mini­ mal zu halten. Damit kann auch problemlos eine An­ zahl kleinflächiger Bauelemente parallelgeschaltet werden.
  • - Baugröße, thermische Wechselfestigkeit: Die Bestückung des Kühlkörpers von beiden Seiten erlaubt eine minimale Baugröße und eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung gestellten Kühlfläche. Die Vermeidung großer Berührungsflächen (kleines Substrat, typi­ scherweise 10 cm²) sowie die sorgfältige Abstimmung der für Kühler, Verbindungstechnik und Plattenstapel verwendeten Werkstoffe sorgen dafür, daß die auf­ grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten auftretenden Kräfte minimal sind. Da­ durch wird eine ausgezeichnete Lastwechselfestigkeit erzielt.
  • - Isolation, Kriechwege: Die vorgeschlagene Bauform ermöglicht es, entsprechend den gültigen Normen iso­ lierende Materialien in genügender Dicke und Abmes­ sung so einzubauen, daß stromführende Kontakte vom Kühlkörper und den Steuer- und Meßanschlüssen genü­ gend Abstand haben. Dies erfordert keinen Kompromiß zu den sonst vom Halbbrückenmodul geforderten Eigen­ schaften.
  • - Mechanische und elektrische Verbindung zum Schalt­ kreis: Da der Kühler bereits in das Modul eingebaut ist, kann das Modul waagrecht oder senkrecht stehend eingebaut werden. Es muß nicht der vorgegebenen Geometrie einer Halte- und/oder Kühlplatte folgen. Vorteilhaft ist die mechanische Fixierung des Moduls in Führungsschienen, in die das Module aufgenommen wird und dann in einer Endposition einrastet.
Selbstverständlich ist der erläuterte Aufbau eines Lei­ stungshalbleitermoduls nicht nur auf Halbbrücken-Schal­ tungsanordnungen beschränkt, sondern wird auch mit Vor­ teil für andere Funktionen verwendet.
Bezugszeichenliste
1 Leistungshalbleitermodul
2 Leistungshalbleiterbaugruppe
3 Kühlkörper
4 Kontaktblech
5 Gehäuse
6 Kühlflüssigkeitsanschluß
7 Kühlkanal
8 Substrat
9 Leiterbahn
10 Leistungshalbleiterschalter
11 Diode
12 Plusanschluß
13 Minusanschluß
14 Wechselspannungsanschluß
15, 16 Steueranschlüsse
17, 18 Meßanschlüsse

Claims (10)

1. Leistungshalbleitermodul (1) mit mindestens einer Leistungshalbleiterbaugruppe (2), welche mit ihrer Unterseite auf einem Kühlkörper (3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - auf beiden Seiten des Kühlkörpers (3) Lei­ stungshalbleiterbaugruppen (2) vorgesehen sind;
  • - die Leistungshalbleiterbaugruppen (2) mit sich parallel zum Kühlkörper (3) erstreckenden, auf­ einander gestapelten, elektrisch leitenden Kon­ taktblechen (4) zusammenwirken.
2. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter­ baugruppen (2) mindestens einen Leistungshalbleiter­ schalter (10), insbesondere einen IGBT, mit antipar­ allel geschalteter Diode (11) umfassen, welche auf ein Substrat (8) aus elektrisch isolierendem aber gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Alumi­ niumoxid, Aluminiumnitrid oder Beryliumoxid aufge­ bracht sind.
3. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anodenanschlüsse der Dioden (11) der auf der einen Seite des Kühlkörpers (3) angebrachten Leistungshalbleiterbaugruppen (2) über ein entsprechendes Kontaktblech (4) mit dem Plusanschluß (12) einer Gleichspannungsquelle, die Kathodenanschlüsse der Dioden (11) der auf der ande­ ren Seite des Kühlkörpers (3) angebrachten Lei­ stungshalbleiterbaugruppen (2) über ein weiteres Kontaktblech (4) mit dem Minusanschluß (13) der Gleichspannungsquelle und die Kathoden- bzw. Anoden­ anschlüsse der Dioden (11) der jeweils anderen Seite über ein gemeinsames Kontaktblech (4) mit einem Wechselspannungsanschluß (14) verbunden sind.
4. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß
  • - auf dem Substrat (8) Leiterbahnen (9) für die Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter (10) und die Dioden (11) vorgesehen sind;
  • - die Kathodenanschlüsse der Dioden (11) und die einer Anode entsprechenden Anschlüsse der Lei­ stungshalbleiterschalter (10) direkt auf das Substrat angebracht sind.
5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Anschlüsse der Lei­ stungshalbleiterschalter (10) und Dioden (11), insbe­ sondere die Anodenanschlüsse der Dioden (11), Steu­ eranschlüsse (15, 16), Meßanschlüsse (17, 18) sowie die einer Kathode entsprechenden Anschlüsse der Lei­ stungshalbleiterschalter (10), mit weiteren Leiter­ bahnen (9) verbunden sind, welche Leiterbahnen (9) ihrerseits mit entsprechenden Kontaktblechen (4) zu­ sammenwirken.
6. Leistungshalbleitermodul (1) nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die übrigen Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter (10) und Dioden (11), insbesondere die Anodenanschlüsse der Dioden (11), Steueranschlüsse (15, 16), Meßanschlüsse (17, 18) sowie die einer Kathode entsprechenden Anschlüsse der Leistungshalbleiterschalter (10), direkt mit den entsprechenden Kontaktblechen (4) zusammenwirken.
7. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (3) von einer Kühlflüssigkeit durchflos­ sen wird und entsprechende Kühlflüssigkeitsan­ schlüsse (6) und Kühlkanäle (7) im Kühlkörper (3) vorgesehen sind.
8. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbleche (4) aus einem Werkstoff bestehen, des­ sen thermischer Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Kühlkörpers (3) angepaßt ist.
9. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (3) mit den Leistungshalbleiterbaugruppen (2) und den Kontaktblechen (4) von einem Schutzge­ häuse (5) umgeben ist, wobei die Kontaktbleche (4) als Modulanschlüsse aus dem Gehäuse (5) hinausge­ führt sind.
10. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Kontaktblechen (4) Isolierplatten einge­ legt sind.
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