EP4613075A1 - Halbleitermodulanordnung mit zumindest einem halbleiterelement - Google Patents

Halbleitermodulanordnung mit zumindest einem halbleiterelement

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Publication number
EP4613075A1
EP4613075A1 EP24704346.6A EP24704346A EP4613075A1 EP 4613075 A1 EP4613075 A1 EP 4613075A1 EP 24704346 A EP24704346 A EP 24704346A EP 4613075 A1 EP4613075 A1 EP 4613075A1
Authority
EP
European Patent Office
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semiconductor
semiconductor element
arrangement
coolant flow
coolant
Prior art date
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Pending
Application number
EP24704346.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Sewiolo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4613075A1 publication Critical patent/EP4613075A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20936—Liquid coolant with phase change
    • H—ELECTRICITY
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20945—Thermal management, e.g. inverter temperature control
    • H—ELECTRICITY
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    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/30—Arrangements for thermal protection or thermal control wherein the packaged device is completely immersed in a fluid other than air, e.g. immersed in a cryogenic fluid
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state
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    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/255—Arrangements for cooling characterised by their materials having a laminate or multilayered structure, e.g. direct bond copper [DBC] ceramic substrates

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor arrangement, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element, wherein the at least one semiconductor element is arranged in a closed housing.
  • the invention relates to a power converter with at least one such semiconductor arrangement.
  • the invention relates to a method for producing a semiconductor arrangement, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter, with at least one semiconductor element, wherein the at least one semiconductor element is arranged in a closed housing.
  • the invention relates to the use of a coolant flow of an electrically insulating cooling liquid, in particular an inert liquid, for cooling a semiconductor element in a closed housing.
  • the invention relates to a computer program product which is designed as a digital twin of such a semiconductor device.
  • Such semiconductor arrangements are used, for example, in a power converter.
  • a power converter is understood to mean, for example, a rectifier, an inverter, a converter or a DC-DC converter.
  • Such semiconductor arrangements usually comprise a housing in which at least one semiconductor element is arranged.
  • a semiconductor element can be, among other things, a transistor.
  • a Soft encapsulation in particular a silicone encapsulation, is provided for protecting the at least one semiconductor element.
  • the publication WO 2022/033745 A1 describes a power module with at least one power unit, which comprises at least one power semiconductor and a substrate, wherein the at least one power unit is at least partially surrounded by a housing.
  • the housing is filled with a soft potting compound, in particular with a silicone potting compound.
  • the publication EP 3 926 670 A1 describes a power semiconductor module with at least one power semiconductor element.
  • the at least one power semiconductor element is in an electrically insulating and thermally conductive connection with a cooling element via a dielectric material layer, wherein the dielectric material layer rests flat on a surface of the cooling element and is force-fitted to the cooling element by means of a first force acting orthogonally to the surface of the cooling element.
  • the publication WO 2018/046165 A1 describes a power module with a semiconductor component to be contacted on the top and bottom, wherein the semiconductor component can be electrically contacted on the top by a leadframe matrix using contact pressure.
  • a soft encapsulation is very difficult to remove, for example during recycling processes.
  • the object is achieved according to the invention by a power converter with at least one such semiconductor arrangement.
  • the object is achieved according to the invention by methods of the type mentioned at the outset in that the semiconductor element is brought into direct contact with a coolant flow of an electrically insulating coolant liquid, in particular an inert liquid.
  • the object is achieved according to the invention by using a coolant flow of an electrically insulating cooling liquid, in particular an inert liquid, for cooling a semiconductor element in a closed housing, wherein the coolant flow is in direct contact with the at least one semiconductor element.
  • an electrically insulating cooling liquid in particular an inert liquid
  • the object is achieved according to the invention by a computer program product which is designed as a digital twin of such a semiconductor arrangement and which is used in simulating the operating behavior of a correspondingly designed semiconductor arrangement.
  • the advantages and preferred embodiments listed below with respect to the semiconductor device can be transferred analogously to the power converter, the method, the use and the computer program product.
  • the invention is based on the idea of improving the recyclability of a semiconductor arrangement by replacing a commonly used soft encapsulation with an electrically insulating cooling liquid.
  • a closed housing of the semiconductor arrangement, in which at least one semiconductor element is arranged, is at least partially filled with the electrically insulating cooling liquid in such a way that the semiconductor element is in direct contact with a coolant flow of the electrically insulating cooling liquid.
  • the semiconductor element is designed as a vertical transistor, in particular as an IGBT or vertical SiC-MOSFET.
  • the housing is, for example, at least partially made of a plastic and can be closed in a fluid-tight manner in order to minimize a loss of the electrically insulating cooling liquid.
  • the coolant flow of the electrically insulating cooling liquid achieves improved heat dissipation of the at least one semiconductor element.
  • the semiconductor element is at least partially surrounded by the coolant flow.
  • the at least one semiconductor element can be wetted by the coolant.
  • the electrically insulating coolant of the coolant flow is particularly designed as an inert liquid which, for example, has a dielectric strength of at least 10 kV/mm, in particular 20 kV/mm.
  • Galden® HS 240, 3MTM NovecTM or 3MTM FluorinertTM are among those that can be used as electrically insulating coolants.
  • Simple disassembly for repair, refurbishment or recycling is made possible by at least partially filling the housing with the electrically insulating coolant, with the coolant flow, in particular through direct contact with the at least one semiconductor element, ensuring improved heat dissipation, which, among other things, has a positive effect on the service life of the semiconductor arrangement and enables higher power densities. Furthermore, materials and energy-intensive manufacturing processes are saved.
  • the operating behavior of the semiconductor arrangement which can be influenced significantly by the coolant flow, can be checked for plausibility by comparing it with a correspondingly designed simulated semiconductor arrangement.
  • a recycling process of the semiconductor arrangement can be simulated and optimized, for example, with regard to a disassembly sequence.
  • the computer program product which is designed as a so-called digital twin, allows at least the semiconductor arrangement to be modeled in a simulation environment. This makes it easy to provide a sufficiently realistic process image.
  • a digital twin is described, for example, in the publication US 2017/286572 A1, whereby the disclosure content of the publication
  • the computer program product can be monolithic, i.e. can be executed entirely on a hardware platform.
  • the computer program product can be modular and comprise a plurality of subprograms that can be executed on separate hardware platforms and interact via a communicative data connection.
  • a communicative data connection can be a network connection, an Internet connection and/or a mobile radio connection.
  • a digital twin can be used to easily and inexpensively test and/or optimize operation, including the coolant flow or the recycling of the semiconductor arrangement or even a power converter, which comprises at least one such semiconductor arrangement, by means of simulation.
  • the computer program product can comprise a physics module in which the semiconductor arrangement is at least partially depicted.
  • the semiconductor arrangement can be reproduced, for example, in terms of its structure and its functionality, for example as a digital image that belongs to the computer program product.
  • the physics module is designed to simulate the electrical, thermal and/or fluid mechanics behavior of the semiconductor arrangement or of the cooling liquid therein.
  • the adjustable operating conditions include, for example, an operating parameter that defines a switching behavior of the at least one semiconductor switch, an inlet temperature of the cooling liquid, a specific heat capacity of the cooling liquid, a flow rate of the cooling liquid and/or a heat release distribution on a surface of the at least one semiconductor element.
  • the computer program product can have a data interface via which corresponding data can be specified via a user input, a data connection to a real semiconductor arrangement and/or other simulation-oriented computer program products.
  • the computer program product can also have a data interface for outputting simulation results to a user and/or other simulation-oriented computer program products.
  • the simulation results can include a temperature distribution on a surface of the at least one semiconductor element and/or an outlet temperature of the cooling liquid.
  • a defective semiconductor element can be identified, for example, by means of the computer program product. Because in the underlying, i.e. simulated, semiconductor arrangement, hot spots on at least one semiconductor element are minimized, these are negligible in the claimed computer program product. The calculation of such hot spots requires increased computing effort in solutions according to the state of the art.
  • the claimed computer program product can be designed in such a way that a heat dissipation behavior of the at least one semiconductor element can be simulated as essentially uniform heat dissipation on its surface. As a result, the thermal behavior of the at least one semiconductor element can be quickly and realistically reproduced with reduced computing power.
  • the claimed computer program product is essentially suitable for real-time monitoring of the underlying semiconductor arrangement. As a result, the underlying semiconductor arrangement can be thermally monitored with increased accuracy, which in turn enables longer operation with faster load changes with increased amplitude are permitted. Overall, the underlying semiconductor arrangement is designed to be simulation-friendly and its technical potential can therefore be exploited more fully.
  • the computer program product can include program code that is stored in a non-volatile memory and can be executed by a computer.
  • a further embodiment provides that the semiconductor element is force-fitted to a carrier element, in particular by means of a first press contact.
  • a press contact can be designed, among other things, as a busbar.
  • a spring, a screw and/or a bracket can be used to force-fit the semiconductor element.
  • Such a force-fit connection of the semiconductor element is detachable and easy to remove when dismantling for repair, refurbishing or recycling, in particular in combination with the filling with the electrically insulating coolant.
  • the carrier element is made of a metallic material, wherein the semiconductor element is connected to the carrier element in an electrically insulating manner via a dielectric material layer.
  • the carrier element can contain, among other things, copper, aluminum or one of their alloys.
  • the dielectric material layer can contain, among other things, aluminum oxide, aluminum nitride or an organic electrically insulating and thermally conductive material in order to connect the semiconductor element to the carrier element in an electrically insulating and thermally conductive manner. In this way, the semiconductor element can also be cooled via the carrier element.
  • the carrier element comprises at least one channel through which the coolant flow runs.
  • the channel through which the electrically insulating coolant flows is designed in a meandering shape so that the cooling water generated during operation The heat generated by the semiconductor element is efficiently dissipated on both sides by the coolant flow.
  • the at least one semiconductor element can be wetted by the coolant.
  • the at least one semiconductor element can be at least partially surrounded by the coolant flow.
  • Such direct contact in particular when the coolant flow is present, ensures increased heat dissipation.
  • the cooling liquid is thus thermally utilized more effectively.
  • this minimizes localized warm spots, so-called hot spots, on the at least one semiconductor element.
  • Such localized warm spots on the at least one semiconductor element can occur, for example, with high electrical loads, in particular rapid load changes with increased amplitude.
  • the corresponding localized warm spots can be decisive for the thermal design of the semiconductor arrangement. Because the at least one semiconductor element is wetted by the coolant, the technical potential of the semiconductor arrangement can be utilized more effectively.
  • the semiconductor arrangement comprises a second guide device which is configured to guide the coolant flow running through the at least one channel of the carrier element over the semiconductor element.
  • a guide device can be designed, among other things, as a guide plate and serves to bring the coolant flow into contact with the semiconductor elements in a targeted and uniform manner.
  • a further embodiment provides that on a side of the carrier element facing away from the semiconductor element, a further semiconductor element is connected to the carrier element in a force-fitting manner, in particular by means of a first press contact.
  • a two-sided arrangement of the semiconductor elements leads to a higher level of integration or performance. density of the arrangement.
  • a force-fit connection on both sides of the semiconductor elements with the carrier element is easy to remove, which further simplifies dismantling for repair, refurbishment or recycling.
  • the electrically insulating cooling liquid to be designed as a phase change coolant.
  • inert liquids such as 3MTM No-vecTM are available with different boiling points. The boiling point can therefore be configured so that the inert liquid functions as an evaporative coolant or phase change coolant, for example to cushion heat peaks.
  • Phase change cooling enables higher heat transfer coefficients, particularly in comparison to pure sensible cooling.
  • a further embodiment provides that a condensation device for condensing an evaporated coolant is arranged in the closed housing.
  • the condensation device can have, among other things, a heat exchanger. Such an arrangement enables condensation in the presence of inert gases, in particular air, close to the ambient pressure, by avoiding the inhibiting effect of inert gases by mixing.
  • a further embodiment provides that a sensor is arranged in the region of the semiconductor element, wherein the coolant flow is regulated based on sensor data which is determined with the aid of the sensor.
  • the sensor can comprise, among other things, a temperature sensor, a voltage sensor and/or a current sensor. Such regulation of the coolant flow makes it possible, for example, to keep the temperature of the semiconductor element within a predetermined temperature range.
  • FIG 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a semiconductor device
  • FIG 2 is a schematic sectional view of a second embodiment of a semiconductor device
  • FIG 3 is a schematic representation of a third embodiment of a semiconductor device
  • FIG 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of a semiconductor device
  • FIG 5 is a schematic representation of a power converter.
  • FIG 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a semiconductor device 2 with a semiconductor element 4, which is mounted in a closed housing 6.
  • the semiconductor element 4 is designed as a vertical transistor, in particular as an IGBT or vertical SiC-MOSFET.
  • the semiconductor element 4 has a first power contact 8, in particular a collector contact C and on an opposite side a second power contact 10, in particular an emitter contact E, and a control contact 12, in particular a gate contact G.
  • the housing 6 is made, for example, from a plastic.
  • a carrier element 14 is arranged in the housing 6, which is designed as a metallic heat sink.
  • the heat sink is made, for example, from copper, aluminum, or one of their alloys.
  • a dielectric material layer 16, which in particular contains aluminum oxide, aluminum nitride, or an organic, electrically insulating and thermally conductive material, and a metallization 18, which in particular contains copper, gold, molybdenum, silver, or one of their alloys, are arranged on the heat sink.
  • the metallization 18 has a flat surface 20, which defines an xy plane and a z axis perpendicular to the surface 20.
  • the dielectric material layer 16 can be pressed or adhesively connected to the heat sink.
  • a substrate, in particular as a DGB (Direct Copper Bonded) substrate can be arranged on the heat sink. The substrate can be bonded to the heat sink in a material-to-material manner, for example by soldering.
  • the semiconductor element 4 is connected to the carrier element 14 in a force-fitting manner by means of a first press contact 22 via the dielectric material layer 16.
  • the dielectric material layer 16 creates an electrically insulating and thermally conductive connection between the semiconductor element 4 and the carrier element 14.
  • a force F acting orthogonally to the surface 20 is transmitted via the first press contact 22, by means of which the semiconductor element 4 is fixedly fixed to the carrier element 14.
  • a metallic contacting element 24 is connected to the second power contact 10 of the semiconductor element 4 and acts as a buffer layer which distributes the force F from the press contact 22 so that pressure peaks are prevented from being introduced into the sensitive semiconductor element 4.
  • the metallic contacting element 24 can be designed, among other things, as a metal plate which contains copper and/or molybdenum and can have a thickness in the range of 25 pm to 250 pm.
  • the metallic contacting element 24 is connected to the semiconductor element 4 in a material-locking manner via a sintered layer 26, but can also be done by soldering.
  • the metallic contacting element 40 can be sprayed on using a thermal spraying process, in particular in the form of copper and/or molybdenum particles.
  • the electrical contacting of the second power contact 10 of the semiconductor element 4 is carried out by means of the first press contact 22.
  • a plurality of first press contacts 22 e.g. 2x2, 2x3, 3x3, 3x4 or 4x4
  • a second press contact 28 and a third press contact 30 are non-positively connected to the surface 20 of the metallization 18 for electrically contacting the first power contact 8 and the control contact 12, respectively, the control contact 12 being connected to the metallization 18 via at least one wiring means 32.
  • the at least one wiring means 32 is designed, for example, as a bonding wire or bonding tape, which is welded in particular by ultrasonic wire bonding.
  • the carrier element 14 is pressed onto the inner wall 34 of the housing 6 via the press contacts 22, 28, 30.
  • the carrier element 14 can be connected to the inner wall 34 of the housing 6 in a materially bonded manner, e.g. by means of adhesion.
  • the press contacts 22, 28, 30 are designed as busbars.
  • the busbars are made of copper or a copper alloy.
  • the press contacts 22, 28, 30 can have a spring, a screw or a bracket.
  • the busbars are led out of the housing 6 via sealing elements 36, so that the housing 6 is sealed watertight, in particular fluid-tight.
  • An electrically insulating cooling liquid 40 is supplied via an inlet 38, whereby a coolant flow 42 is generated and the housing 6 is filled, in particular completely, with the electrically insulating cooling liquid 40.
  • the coolant flow 42 is guided via a first guide device 44, which is connected, for example, to the housing 6 and/or the carrier element 14, through at least one channel 46 which is arranged to run through the carrier element 14.
  • the first guide device 44 can, for example, comprise guide plates and/or a pipe.
  • the channel 46 can, among other things, run in a meandering shape through the carrier element 14.
  • the coolant flow 42 emerging from the channel 46 of the carrier element 14 is diverted via a second guide device 48, which is designed, for example, as a guide plate, so that the electrically insulating coolant 40 flows over the semiconductor element 4, so that the semiconductor element 4 is in direct contact with the coolant flow 42.
  • the semiconductor element 4 is essentially cuboid-shaped, with at least five of the six side surfaces of the cuboid-shaped semiconductor element 4 being in contact with the electrically insulating coolant 40.
  • the four side surfaces of the cuboid-shaped semiconductor element 4, which are arranged running perpendicular to the xy plane, are completely contacted with the electrically insulating coolant 40.
  • the coolant 40 which is heated by the waste heat generated during operation of the semiconductor element 4, is discharged via an outlet 50, cooled outside the housing 6 and fed back in via the inlet 38.
  • the electrically insulating coolant 40 is designed as an inert liquid which has a high dielectric strength of at least 10 kV/m, in particular 20 kV/m. Galden® HS 240, 3MTM NovecTM or 3MTM FluorinertTM are among those which can be used as the electrically insulating coolant 40.
  • the electrically insulating coolant 40 replaces a commonly used potting compound in the semiconductor arrangement 2 which is made, for example, from a silicone insulation material which is difficult to remove.
  • the electrically insulating coolant 40 can be very easily removed from the housing 6 so that the components in the housing 6 are freely accessible for recycling and repair processes.
  • the coolant flow 42 which is in direct contact with the semiconductor element 4, achieves improved heat dissipation during operation of the semiconductor arrangement 2.
  • Such immersion cooling enables the semiconductor device 2 to be dismantled easily and at least to a large extent reversibly, in particular for recycling and repair processes.
  • a sensor 52 which may include a temperature sensor, a voltage sensor and/or a current sensor, is arranged in the region of the semiconductor element 4.
  • the coolant flow 42 is regulated with the aid of sensor data, which is determined with the aid of the sensor 52, in order, for example, to keep a temperature of the semiconductor element 4 within a predetermined temperature range.
  • FIG 2 shows a schematic sectional view of a second embodiment of a semiconductor arrangement 2.
  • a further semiconductor element 54 is connected in a force-fitting manner to the carrier element 14.
  • the semiconductor elements 4, 54 are thus arranged on both sides of the carrier element 14, which is held essentially centrally in the housing 6 by the press contacts 22, 28, 30.
  • the semiconductor arrangement 2 is arranged essentially axially symmetrically to a central axis 56.
  • the electrically insulating cooling liquid 40 of the coolant flow 42 is guided essentially symmetrically over the semiconductor elements 4, 54 and through the channels 46 of the carrier element 14 arranged axially symmetrically about the central axis 56, so that the semiconductor elements 4, 54 in direct contact with the coolant flow 42 are evenly cooled.
  • the arrangement can have guide devices such as guide plates in order to bring the coolant flow 42 into contact with the semiconductor elements 4, 54 in a targeted and even manner.
  • the further design of the semiconductor arrangement 2 in FIG. 2 corresponds to the design in FIG. 1.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a third embodiment of a semiconductor arrangement 2, wherein at least part of the electrically insulating cooling liquid 40 evaporates upon direct contact with the semiconductor element 4.
  • the cooling liquid 40 is an inert liquid, such as 3MTM NovecTM, whose boiling point is configured such that it functions as an evaporative coolant or phase change coolant.
  • the boiling point is 61, 76 or 91 °C.
  • phase change cooling can, for example, cushion heat peaks.
  • the evaporated coolant 60 is condensed via a condensation device 58, in particular a heat exchanger, and fed back into the circuit as condensed coolant 62.
  • the coolant flow 42 of the cooling liquid 40 which is heated but not evaporated by the waste heat generated during operation of the semiconductor element 4, is guided to a common outlet 50 via a third guide device 64.
  • the housing can have a separate outlet for the condensed coolant 62.
  • FIG 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a semiconductor device 2, wherein the housing 6 is closed via a connection to the carrier element 14, in particular in a fluid-tight manner.
  • a fluid-tight, in particular adhesive, connection of the housing 6 to the carrier element 14 is produced via at least one sealing element 36.
  • the sealing element 36 can, for example, comprise a sealing adhesive.
  • the sealing element 36 can comprise a circumferential sealing strip, the housing 6 being pressed onto the heat sink via the sealing strip and thus closed in a fluid-tight manner.
  • screws or clamps can permanently and detachably connect the housing 6 to the heat sink.
  • the carrier element 14 is designed, for example, as a heat sink made of copper, aluminum or one of their alloys.
  • the heat sink has fins 65 via which the heat generated during operation of the semiconductor element 4 can additionally be released to the surrounding air.
  • the coolant flow 42 within the housing 6 runs essentially in the x-direction.
  • the further design of the semiconductor device 2 in FIG 4 corresponds to the design in FIG 1 .
  • FIG 5 shows a schematic representation of a power converter 66, which comprises a semiconductor arrangement 2 and a cooling device 68.
  • the coolant flow 42 discharged from the outlet 50 of the semiconductor arrangement 2 is cooled via the cooling device 68, which comprises a heat exchanger, for example, and fed back via the inlet 38.
  • the power converter 66 can comprise more than one semiconductor arrangement 2, which form a cooling circuit with at least one cooling device 68.
  • the invention relates to a semiconductor arrangement 2, in particular a power semiconductor arrangement for a power converter 66, with at least one semiconductor element 4, wherein the at least one semiconductor element 4 is arranged in a closed housing 6.
  • the semiconductor element 4 is in direct contact with a Coolant flow 42 of an electrically insulating cooling liquid 40, in particular inert liquid.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung (2), insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter (66), mit zumindest einem Halbleiterelement (4), wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem geschlossenen Gehäuse (6) angeordnet ist. Um die Rezyklierbarkeit der Halbleiteranordnung (2) zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung (42) einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit (40), insbesondere Inertflüssigkeit, steht.

Description

Beschreibung
Halbleitermodulanordnung mit zumindest einem Halbleiterelement
Die Erfindung betri f ft eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterelement , wobei das zumindest eine Halbleiterelement in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist .
Ferner betri f ft die Erfindung einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiteranordnung .
Überdies betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere einer Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter, mit zumindest einem Halbleiterelement , wobei das zumindest eine Halbleiterelement in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist .
Weiterhin betri f ft die Erfindung die Verwendung einer Kühlmittelströmung einer elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit , insbesondere Inertf lüssigkeit , zum Kühlen eines Halbleiterelements in einem geschlossenen Gehäuse .
Darüber hinaus betri f ft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt , welches als digitaler Zwilling einer derartigen Halbleiteranordnung ausgebildet ist .
Derartige Halbleiteranordnungen kommen beispielsweise in einem Stromrichter zum Einsatz . Unter einem Stromrichter ist beispielsweise ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Umrichter oder ein Gleichspannungswandler zu verstehen . Üblicherweise umfassen derartige Halbleiteranordnungen ein Gehäuse , in welchem zumindest ein Halbleiterelement angeordnet ist . Ein derartiges Halbleiterelement kann unter anderem ein Transistor sein . Innerhalb des Gehäuses ist üblicherweise ein Weichverguss , insbesondere ein Silikonverguss , zum Schutz des zumindest einen Halbleiterelements vorgesehen .
Die Of fenlegungsschri ft WO 2022 / 033745 Al beschreibt ein Leistungsmodul mit mindestens einer Leistungseinheit , welche mindestens einen Leistungshalbleiter und ein Substrat umfasst , wobei die mindestens eine Leistungseinheit zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist . Das Gehäuse ist mit einem Weichverguss , insbesondere mit einem Silikonverguss , gefüllt .
Umwelttechnische Aspekte gewinnen auch in der Elektronikentwicklung immer mehr an Bedeutung . Insbesondere rückt eine verbesserte Rezyklierbarkeit in den Fokus . Die Rezyklierbar- keit aber auch ein Reparaturaufwand werden beispielsweise durch den Wegfall von stof f schlüssigen Verbindungen, welche beispielsweise durch Löten, Sintern oder Schweißen herstellbar sind, verbessert .
Die Of fenlegungsschri ft EP 3 926 670 Al beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit zumindest einem Leistungshalbleiterelement . Um den erforderlichen Bauraum des Leistungshalbleitermoduls zu verringern und dessen Lebensdauer zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Leistungshalbleiterelement über eine dielektrische Materiallage mit einem Kühlelement in einer elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbindung steht , wobei die dielektrische Materiallage flächig auf einer Oberfläche des Kühlelements aufliegt und mittels einer orthogonal zur Oberfläche des Kühlelements wirkenden ersten Kraft kraf tschlüssig mit dem Kühlelement verbunden ist .
Die Of fenlegungsschri ft WO 2018 / 046165 Al beschreibt ein Leistungsmodul mit einem ober- und unterseitig zu kontaktierenden Halbleiterbauelement , wobei das Halbleiterbauelement oberseitig durch eine Leadframe-Matrix mittels Anpressdruck elektrisch zu kontaktieren ist . Ein Weichverguss ist , beispielsweise bei Rezyklierungsvorgängen, sehr schwer zu entfernen . Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Rezyklierbarkeit einer Halbleiteranordnung zu verbessern .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst , dass das Halbleiterelement in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung einer elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit , insbesondere Inertf lüssigkeit , steht .
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Stromrichter mit mindestens einer derartigen Halbleiteranordnung .
Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst , dass das Halbleiterelement in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung einer elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit , insbesondere Inertf lüssigkeit , gebracht wird .
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Kühlmittelströmung einer elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit , insbesondere Inertf lüssigkeit , zum Kühlen eines Halbleiterelements in einem geschlossenen Gehäuse , wobei die Kühlmittelströmung in unmittelbarem Kontakt mit dem zumindest einen Halbleiterelement steht .
Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Computerprogrammprodukt , welches als digitaler Zwilling einer derartigen Halbleiteranordnung ausgebildet ist und welches bei einem Simulieren des Betriebsverhaltens einer korrespondierend ausgebildeten Halbleiteranordnung verwendet wird .
Die in Bezug auf die Halbleiteranordnung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf den Stromrichter, das Verfahren, die Verwendung und das Computerprogrammprodukt übertragen . Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde , die Rezyklier- barkeit einer Halbleiteranordnung dadurch zu verbessern, dass ein üblicherweise verwendeter Weichverguss durch eine elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit ersetzt wird . Ein geschlossenes Gehäuse der Halbleiteranordnung, in welchem zumindest ein Halbleiterelement angeordnet ist , wird zumindest teilweise mit der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit derartig befüllt , dass das Halbleiterelement mit einer Kühlmittelströmung der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit in unmittelbarem Kontakt steht . Beispielsweise ist das Halbleiterelement als vertikaler Transistor, insbesondere als IGBT oder vertikaler SiC-MOSFET , ausgeführt . Das Gehäuse ist beispielsweise zumindest teilweise aus einem Kunststof f hergestellt und kann fluiddicht geschlossen sein, um einen Verlust der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit zu minimieren . Durch die Kühlmittelströmung der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit wird eine verbesserte Entwärmung des zumindest einen Halbleiterelements erreicht . Insbesondere ist das Halbleiterelement zumindest teilweise von der Kühlmittelströmung umgeben . Das zumindest eine Halbleiterelement kann durch die Kühl flüssigkeit benetzt sein . Die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit der Kühlmittelströmung ist insbesondere als Inert flüssigkeit ausgeführt , welche beispielsweise eine Durchschlags festigkeit von mindestens 10 kV/mm, insbesondere 20 kV/mm aufweist . Unter anderem kommen Galden® HS 240 , 3M™ Novec™ oder 3M™ Fluorinert™ als elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit infrage . Ein einfaches Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren wird durch eine zumindest teilweise Befüllung des Gehäuses mit der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit ermöglicht , wobei die Kühlmittelströmung, insbesondere durch die unmittelbare Kontaktierung mit dem zumindest einen Halbleiterelement , für eine verbesserten Wärmeabtransport sorgt , was sich unter anderem positiv auf die Lebensdauer der Halbleiteranordnung auswirkt , und höhere Leistungsdichten ermöglicht . Ferner werden Materialien und energieintensive Herstellungsprozesse eingespart . Insbesondere ist das Betriebsverhalten der Halbleiteranordnung, welches maßgeblich durch die Kühlmittelströmung beeinflussbar ist , durch Abgleich mit einer korrespondierend ausgebildeten simulierten Halbleiteranordnung auf Plausibilität überprüfbar . Weiterhin kann ein Rezyklier-Prozess der Halbleiteranordnung simuliert und beispielsweise hinsichtlich einer Zerlegungsreihenfolge optimiert werden . Das Computerprogrammprodukt , das als sogenannter Digitaler Zwilling ausgebildet ist , erlaubt eine Modellierung zumindest der Halbleiteranordnung in einer Simulationsumgebung . Somit ist in einfacher Weise ein ausreichend realitätsnahes Prozessabbild be- reitstellbar . Ein derartiger Digitaler Zwilling wird beispielsweise in der Druckschri ft US 2017 /286572 Al beschrieben, wobei der Of fenbarungsgehalt der Druckschri ft
US 2017 /286572 Al durch Verweisung in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen wird . Das Computerprogrammprodukt kann monolithisch ausgebildet sein, also vollständig auf einer Hardwareplattform aus führbar . Alternativ kann das Computerprogrammprodukt modular ausgebildet sein und eine Mehrzahl an Teilprogrammen umfassen, die auf separaten Hardwareplattformen aus führbar sind und über eine kommunikative Datenverbindung Zusammenwirken . Eine solche kommunikative Datenverbindung kann eine Netzwerkverbindung, eine Internetverbindung und/oder eine Mobil funkverbindung sein . Ferner kann durch einen derartigen Digitalen Zwilling der Betrieb unter Einbezug der Kühlmittelströmung oder das Rezyklieren der Halbleiteranordnung oder gar eines Stromrichters , welcher zumindest eine derartige Halbleiteranordnung umfasst , per Simulation einfach und kostengünstig erprobt und/oder optimiert werden .
Das Computerprogrammprodukt kann ein Physik-Modul umfassen, in dem die Halbleiteranordnung zumindest teilweise abgebildet ist . Dazu kann die Halbleiteranordnung beispielsweise in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise nachgebildet sein, beispielsweise als digitales Abbild, das zum Computerprogrammprodukt gehört . Das Physik-Modul ist dazu ausgebildet , das elektrisch, thermische und/oder strömungsmechanische Verhalten der Halbleiteranordnung bzw . der Kühl flüssigkeit darin unter einstellbaren Betriebsbedingungen nachzustellen . Zu den einstellbaren Betriebsbedingungen gehören beispielsweise ein Betriebsparameter, der ein Schaltverhalten des zumindest einen Halbleiterschalters definiert , eine Eintrittstemperatur der Kühl flüssigkeit , eine spezi fische Wärmekapazität der Kühl flüssigkeit , eine Strömungsgeschwindigkeit der Kühl flüssigkeit und/oder eine Wärmefreisetzungsverteilung an einer Oberfläche des zumindest einen Halbleiterelements . Das Computerprogrammprodukt kann über eine Datenschnittstelle verfügen, über die entsprechende Daten über eine Benutzereingabe , eine Datenverbindung zu einer realen Halbleiteranordnung und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogrammprodukte vorgebbar sind . Ebenso kann das Computerprogrammprodukt über eine Datenschnittstelle zum Ausgeben von Simulationsresultaten an einen Benutzer und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogrammprodukte verfügen . Zu den Simulationsresultaten kann eine Temperaturverteilung an einer Oberfläche des zumindest einen Halbleiterelements und/oder eine Aus- trittstemperatur der Kühl flüssigkeit gehören . Mittels des Computerprogrammprodukts ist beispielsweise ein defektes Halbleiterelement erkennbar . Dadurch, dass in der zugrundeliegenden, also der simulierten, Halbleiteranordnung punktuell warme Stellen, sogenannte Hotspots , am zumindest einen Halbleiterelement minimiert sind, sind diese im beanspruchten Computerprogrammprodukt vernachlässigbar . Die Berechnung derartiger Hotspots erfordert bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik erhöhten Rechenaufwand . Das beanspruchte Computerprogrammprodukt kann derart ausgebildet sein, dass ein Wärmeabgabeverhalten des zumindest einen Halbleiterelements als an dessen Oberfläche im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeabgabe nachgestellt sein kann . Hierdurch ist das thermische Verhalten des zumindest einen Halbleiterelements mit reduzierter Rechenleistung schnell und realitätstreu nachstellbar . Das beanspruchte Computerprogrammprodukt ist im Wesentlichen zu einer Echt Zeitüberwachung der zugrundeliegenden Halbleiteranordnung geeignet . Infolgedessen ist die zugrundeliegende Halbleiteranordnung thermisch mit gesteigerter Genauigkeit überwachbar, was wiederum einen längeren Betrieb mit schnei- len Lastwechseln mit erhöhter Amplitude erlaubt . Insgesamt ist die zugrundeliegende Halbleiteranordnung simulationsfreundlich ausgebildet und dadurch in ihrem technischen Potential stärker ausnutzbar . Das Computerprogrammprodukt kann Programmcode umfassen, der auf einem nicht- flüchtigen Speicher gespeichert ist und durch einen Computer aus führbar ist . Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Halbleiterelement , insbesondere mittels eines ersten Presskontakts , kraf tschlüssig mit einem Trägerelement verbunden ist . Ein derartiger Presskontakt kann unter anderem als Stromschiene , welche auch Busbar genannt wird, ausgeführt sein . Alternativ kann eine Feder, eine Schraube und/oder ein Bügel zur kraftschlüssigen Verbindung des Halbleiterelements zum Einsatz kommen . Eine derartige kraf tschlüssige Verbindung des Halbleiterelements ist lösbar und beim Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren, insbesondere in Kombination mit der Füllung mit der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit , einfach zu entfernen .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Trägerelement aus einem metallischen Werkstof f hergestellt ist , wobei das Halbleiterelement über eine dielektrische Materiallage elektrisch isolierend mit dem Trägerelement verbunden ist . Das Trägerelement kann unter anderem Kupfer, Aluminium oder einer deren Legierungen enthalten . Die dielektrische Materiallage kann unter anderem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einen organischen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Werkstof f enthalten, um das Halbleiterelement elektrisch isolierend und thermisch leitend mit dem Trägerelement zu verbinden . Auf diese Weise ist das Halbleiterelement zusätzlich über das Trägerelement entwärmbar .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass das Trägerelement zumindest einen Kanal umfasst , durch welchen die Kühlmittelströmung verläuft . Beispielsweise ist der Kanal , durch welchen die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit strömt , mäanderf örmig ausgeführt , sodass die während des Betriebes des Halbleiterelements entstehende Wärme beidseitig ef fi zient durch die Kühlmittelströmung abgeführt wird .
In einer weiteren Aus führungs form der beanspruchten Halbleiteranordnung kann das zumindest eine Halbleiterelement durch das Kühlmittel benetzt sein . Insbesondere kann das zumindest eine Halbleiterelement hierbei durch die Kühlmittelströmung zumindest teilweise umspült sein . Durch einen solchen unmittelbaren Kontakt , insbesondere bei Vorliegen der Kühlmittelströmung, wird eine erhöhte Wärmeabfuhr gewährleistet . Die Kühl flüssigkeit wird hierdurch thermisch stärker ausgenutzt . Insbesondere werden dadurch am zumindest einen Halbleiterelement punktuell warme Stellen, sogenannte Hotspots , minimiert . Derartige punktuell warme Stellen am zumindest einen Halbleiterelement können beispielsweise bei hohen elektrischen Lasten, insbesondere schnellen Lastwechseln mit erhöhter Amplitude , auftreten . Die entsprechenden punktuell warmen Stellen können bestimmend für die thermische Auslegung der Halbleiteranordnung sein . Dadurch, dass das zumindest eine Halbleiterelement durch die Kühl flüssigkeit benetzt ist , ist das technische Potential der Halbleiteranordnung stärker ausnutzbar .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die Halbleiteranordnung eine zweite Leitvorrichtung, welche konfiguriert ist , die durch den zumindest einen Kanal des Trägerelements verlaufende Kühlmittelströmung über das Halbleiterelement zu leiten, umfasst . Eine derartige Leitvorrichtung kann unter anderem als Leitblech ausgeführt sein und dient dazu, die Kühlmittelströmung gezielt und gleichmäßig mit den Halbleiterelementen in Kontakt zu bringen .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass auf einer dem Halbleiterelement abgewandten Seite des Trägerelements ein weiteres Halbleiterelement , insbesondere mittels eines ersten Presskontakts , kraf tschlüssig mit dem Trägerelement verbunden ist . Eine derartige beidseitige Anordnung der Halbleiterelemente führt zu einer höheren Integrations- bzw . Leistungs- dichte der Anordnung . Ferner ist eine beidseitige kraftschlüssige Verbindung der Halbleiterelemente mit dem Trägerelement einfach zu entfernen, was das Zerlegen zur Reparatur, zum Refurbishing oder zum Rezyklieren zusätzlich vereinfacht .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit als Phasenwechselkühlmittel ausgeführt ist . Beispielsweise ist Inert flüssigkeit wie 3M™ No- vec™ mit unterschiedlichen Siedepunkten erhältlich . Somit kann der Siedepunkt so konfiguriert werden, dass die Inert flüssigkeit als Verdampfungskühlmittel bzw . Phasenwechselkühlmittel fungiert , um beispielsweise Wärmespitzen abzufedern . Durch die Phasenwechselkühlung werden, insbesondere im Vergleich zu einer reinen sensiblen Kühlung, höhere Wärmeübergangskoef fi zienten ermöglicht .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass in dem geschlossenen Gehäuse eine Kondensationsvorrichtung zur Kondensation eines verdampften Kühlmittels angeordnet ist . Die Kondensationsvorrichtung kann unter anderem einen Wärmetauscher aufweisen . Durch eine derartige Anordnung wird eine Kondensation in Anwesenheit von Inertgasen, insbesondere Luft , nahe des Umgebungsdrucks ermöglicht , indem die hemmende Wirkung von Inertgasen durch Durchmischung vermieden wird .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass ein Sensor im Bereich des Halbleiterelements angeordnet wird, wobei die Kühlmittelströmung anhand von Sensordaten, welche mit Hil fe des Sensors ermittelt werden, geregelt wird . Der Sensor kann unter anderem einen Temperatursensor, einen Spannungssensor und/oder einen Stromsensor umfassen . Eine derartige Regelung der Kühlmittelströmung ermöglicht es beispielsweise die Temperatur des Halbleiterelements innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten . Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen :
FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 3 eine schematische Darstellung einer dritten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 4 eine schematische Darstellung einer vierte Aus führungs form einer Halbleiteranordnung,
FIG 5 eine schematische Darstellung eines Stromrichters .
Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung . Bei den Aus führungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Aus führungs formen j eweils einzelne , unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung j eweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind . Des Weiteren sind die beschriebenen Aus führungs formen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung .
FIG 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 mit einem Halbleiterelement 4 , welches in einem geschlossenen Gehäuse 6 an- geordnet ist . Beispielsweise ist das Halbleiterelement 4 als vertikaler Transistor, insbesondere als IGBT oder vertikaler SiC-MOSFET , ausgeführt . Das Halbleiterelement 4 weist einen ersten Leistungskontakt 8 , insbesondere einen Kollektor- Kontakt C und auf einer gegenüberliegenden Seite einen zweiten Leistungskontakt 10 , insbesondere einen Emitter- Kontakt E , und einen Steuerkontakt 12 , insbesondere einen Gate-Kontakt G, auf .
Das Gehäuse 6 ist beispielsweise aus einem Kunststof f hergestellt . Darüber hinaus ist in dem Gehäuse 6 ein Trägerelement 14 angeordnet , welches als ein metallischer Kühlkörper ausgeführt ist . Der Kühlkörper ist beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer deren Legierungen hergestellt . Auf dem Kühlkörper sind eine dielektrische Materiallage 16 , welche insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einen organischen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Werkstof f enthält , und eine Metallisierung 18 , welche beispielsweise Kupfer, Gold, Molybdän, Silber oder eine deren Legierungen enthält , angeordnet . Die Metallisierung 18 weist eine ebene Oberfläche 20 auf , welche eine xy-Ebene sowie eine senkrecht auf der Oberfläche 20 stehende z-Achse definiert . Die dielektrische Materiallage 16 kann mit dem Kühlkörper verpresst oder adhäsiv verbunden sein . Alternativ kann auf dem Kühlkörper ein Substrat , insbesondere als DGB ( Direct Copper Bonded) Substrat , angeordnet sein . Das Substrat kann unter anderem stof f schlüssig, beispielsweise durch Löten auf dem Kühlkörper verbunden sein .
Das Halbleiterelement 4 ist mittels eines ersten Presskontakts 22 über die dielektrische Materiallage 16 kraftschlüssig mit dem Trägerelement 14 verbunden . Durch die dielektrische Materiallage 16 wird eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 4 und dem Trägerelement 14 hergestellt . Über den ersten Presskontakt 22 wird eine orthogonal zur Oberfläche 20 wirkende Kraft F übertragen, mittels welcher das Halbleiterelement 4 fixiert auf dem Trägerelement 14 fixiert wird . Ein metallisches Kontaktierungselement 24 ist mit dem zweiten Leistungskontakt 10 des Halbleiterelements 4 verbunden und fungiert als Buf ferschicht , welche die Kraft F vom Presskontakt 22 verteilt , sodass ein Einleiten von Druckspitzen in das empfindliche Halbleiterelement 4 verhindert wird . Das metallische Kontaktierungselement 24 kann unter anderem als Metallplättchen, welcher Kupfer und/oder Molybdän enthält , ausgeführt sein und eine Dicke im Bereich von 25 pm bis 250 pm aufweisen . Die Verbindung des metallischen Kontaktierungselements 24 zum Halbleiterelement 4 erfolgt stof f schlüssig über eine Sinterschicht 26 , kann j edoch auch durch Löten erfolgen . Alternativ kann das metallische Kontaktierungselement 40 mittels eines thermischen Spritzverfahrens , insbesondere in Form von Kupfer- und/oder Molybdänpartikeln, auf gesprüht werden .
Zusätzlich zur mechanischen Fixierung erfolgt die elektrische Kontaktierung zweiten Leistungskontakts 10 des Halbleiterelements 4 mittels des ersten Presskontakts 22 . Eine Mehrzahl von, insbesondere äquidistant quadratisch oder rechteckförmig auf dem metallischen Kontaktierungselement 24 angeordneten ersten Presskontakten 22 ( z . B . 2x2 , 2x3 , 3x3 , 3x4 oder 4x4 ) führt zu einer verbesserten mechanischen Fixierung des Halbleiterelements 4 , einer homogeneren Druckverteilung und einer niederohmigen elektrischen Kontaktierung . Ein zweiter Presskontakt 28 und ein dritter Presskontakt 30 sind kraftschlüssig mit der Oberfläche 20 der Metallisierung 18 zur elektrischen Kontaktierung des ersten Leistungskontakts 8 bzw . des Steuerkontakts 12 verbunden, wobei der Steuerkontakt 12 über zumindest ein Verdrahtungsmittel 32 mit der Metallisierung 18 verbunden ist . Das zumindest eine Verdrahtungsmittel 32 ist beispielsweise als Bonddraht oder Bondband ausgeführt , welches insbesondere durch Ultraschall-Drahtbonden verschweißt ist . Uber die Presskontakte 22 , 28 , 30 wird das Trägerelement 14 an die Innenwand 34 des Gehäuses 6 gepresst . Zusätzlich kann das Trägerelement 14 stof f schlüssig, z . B . mittels Adhäsion, mit der Innenwand 34 des Gehäuses 6 verbunden sein . Die Presskontakte 22 , 28 , 30 sind als Stromschienen, welche auch Busbars genannt werden, ausgeführt . Beispielsweise werden die Stromschienen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt . Zusätzlich oder alternativ können die Presskontakte 22 , 28 , 30 eine Feder, eine Schraube oder einen Bügel aufweisen . Über Dichtungselemente 36 werden die Stromschienen aus dem Gehäuse 6 geführt , sodass das Gehäuse 6 wasserdicht , insbesondere fluiddicht , abgedichtet ist .
Über einen Zulauf 38 wird eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit 40 zugeführt , wobei eine Kühlmittelströmung 42 erzeugt wird und das Gehäuse 6 , insbesondere vollständig mit der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit 40 gefüllt wird . Die Kühlmittelströmung 42 wird über eine erste Leitvorrichtung 44 , welche beispielsweise mit dem Gehäuse 6 und/oder dem Trägerelement 14 verbunden ist , durch zumindest einen Kanal 46 , welcher durch das Trägerelement 14 verlaufend angeordnet ist , geleitet . Die erste Leitvorrichtung 44 kann beispielsweise Leitbleche und/oder ein Rohr umfassen . Der Kanal 46 kann unter anderem mäanderf örmig durch das Trägerelement 14 verlaufen . Die aus dem Kanal 46 des Trägerelements 14 austretende Kühlmittelströmung 42 wird über eine zweite Leitvorrichtung 48 , welche beispielsweise als Leitblech ausgeführt ist , umgelenkt , sodass die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit 40 über das Halbleiterelement 4 strömt , sodass das Halbleiterelement 4 in unmittelbarem Kontakt mit der Kühlmittelströmung 42 steht . Beispielsweise ist das Halbleiterelement 4 im Wesentlichen quaderförmig ausgeführt , wobei zumindest fünf der sechs Seitenflächen des quaderförmigen Halbleiterelement 4 mit der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit 40 in Kontakt stehen . Ferner sind die vier Seitenflächen des quaderförmig ausgeführten Halbleiterelements 4 , welche senkrecht zur xy-Ebene verlaufend angeordnet sind, vollständig mit der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit 40 kontaktiert . Über einen Ablauf 50 wird die durch die während des Betriebes des Halbleiterelements 4 entstehende Abwärme erwärmte Kühl flüssigkeit 40 abgeführt , außerhalb des Gehäuses 6 gekühlt und über den Zulauf 38 wieder zugeführt . Die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit 40 ist als eine Inert flüssigkeit ausgeführt , welche eine hohe Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/ m, insbesondere 20 kV/ aufweist . Unter anderem kommen Galden® HS 240 , 3M™ Novec™ oder 3M™ Fluorinert™ als elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit 40 infrage . Die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit 40 ersetzt in der Halbleiteranordnung 2 eine üblicherweise verwendete Vergussmasse , welche beispielsweise aus einem schwer entfernbaren Silikonisolationsmaterial hergestellt ist . Die elektrisch isolierende Kühl flüssigkeit 40 kann sehr leicht aus dem Gehäuses 6 entfernt werden, sodass die Komponenten im Gehäuses 6 für Rezyklierungs- und Reparaturvorgänge frei zugänglich sind . Durch die Kühlmittelströmung 42 , welche in unmittelbarem Kontakt mit dem Halbleiterelements 4 steht , wird eine verbesserte Entwärmung während des Betriebes der Halbleiteranordnung 2 erreicht . Durch eine derartige Immersionskühlung ist die Halbleiteranordnung 2 , insbesondere für Rezyklierungs- und Reparaturvorgänge , einfach und zumindest zu einem großen Teil reversibel zerlegbar .
Ein Sensor 52 , welcher unter anderem einen Temperatursensor, einen Spannungssensor und/oder einen Stromsensor umfassen kann, ist im Bereich des Halbleiterelements 4 angeordnet . Die Kühlmittelströmung 42 wird mit Hil fe von Sensordaten, welche mit Hil fe des Sensors 52 ermittelt werden, geregelt , um beispielsweise eine Temperatur des Halbleiterelements 4 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten .
FIG 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Aus führungs form einer Halbleiteranordnung 2 . Auf einer dem Halbleiterelement 4 abgewandten Seite des in z-Richtung im Wesentlichen mittig im Gehäuse 6 angeordneten Trägerelements 14 ist ein weiteres Halbleiterelement 54 kraf tschlüssig mit dem Trägerelement 14 verbunden ist . Somit sind die Halbleiterelemente 4 , 54 beidseitig auf dem Trägerelement 14 angeordnet , welches durch die Presskontakte 22 , 28 , 30 im Wesentlichen mittig im Gehäuse 6 gehalten wird . Die Halbleiter- anordnung 2 ist im wesentlichen achsensymmetrisch zu einer Mittenachse 56 angeordnet . Die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit 40 der Kühlmittelströmung 42 wird im Wesentlichen symmetrisch über die Halbleiterelemente 4 , 54 und durch die achsensymmetrisch um die Mittenachse 56 angeordneten Kanäle 46 des Trägerelements 14 geleitet , sodass eine gleichmäßige Entwärmung der unmittelbar mit der Kühlmittelströmung 42 in Kontakt stehenden Halbleiterelemente 4 , 54 erfolgt . Die Anordnung kann, wie in FIG 1 , Leitvorrichtungen wie Leitbleche aufweisen, um die Kühlmittelströmung 42 gezielt und gleichmäßig mit den Halbleiterelementen 4 , 54 in Kontakt zu bringen . Die weitere Aus führung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 2 entspricht der Aus führung in FIG 1 .
FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungs form einer Halbleiteranordnung 2 , wobei zumindest ein Teil der elektrisch isolierenden Kühl flüssigkeit 40 bei der unmittelbaren Kontaktierung mit dem Halbleiterelement 4 verdampft . Die Kühl flüssigkeit 40 ist eine Inertf lüssigkeit , wie beispielsweise 3M™ Novec™, deren Siedepunkt so konfiguriert ist , dass diese als Verdampfungskühlmittel bzw . Phasenwechselkühlmittel fungiert . Beispielsweise liegt der Siedepunkt bei 61 , 76 oder 91 ° C . Durch eine derartige Phasenwechselkühlung können beispielsweise Wärmespitzen abgefedert werden . Über eine Kondensationsvorrichtung 58 , insbesondere einen Wärmetauscher, wird das verdampfte Kühlmittel 60 kondensiert und dem Kreislauf als kondensiertes Kühlmittel 62 wieder zugeführt . Über eine dritte Leitvorrichtung 64 wird die Kühlmittelströmung 42 des durch die während des Betriebes des Halbleiterelements 4 entstehende Abwärme erwärmten aber nicht verdampften Kühl flüssigkeit 40 zu einem gemeinsamen Ablauf 50 geleitet . Alternativ kann das Gehäuse einen separaten Ablauf für das kondensierte Kühlmittel 62 aufweisen . Die weitere Aus führung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 3 entspricht der Aus führung in FIG 1 .
FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierte Ausführungs form einer Halbleiteranordnung 2 , wobei das Gehäuse 6 über eine Verbindung mit dem Trägerelement 14 , insbesondere fluiddicht , geschlossen ist . Eine fluiddichte , insbesondere adhäsive , Verbindung des Gehäuses 6 mit dem Trägerelement 14 wird über zumindest ein Dichtungselement 36 hergestellt . Das Dichtungselement 36 kann beispielsweise einen abdichtenden Klebstof f aufweisen . Alternativ kann das Dichtungselement 36 ein umlaufendes Dichtungsband umfassen, wobei das Gehäuse 6 über das Dichtungsband auf den Kühlkörper gepresst und auf diese Weise fluiddicht geschlossen wird . Beispielsweise Schrauben oder Klemmen können das Gehäuse 6 dauerhaft und lösbar mit dem Kühlkörper verbinden . Das Trägerelement 14 ist beispielhaft als Kühlkörper, der aus Kupfer, Aluminium oder einer deren Legierungen hergestellt ist , ausgeführt . Der Kühlkörper weist Finnen 65 auf über welche die Während des Betriebes des Halbleiterelements 4 entstehende Wärme zusätzlich an die umgebende Luft abgebbar ist . Die Kühlmittelströmung 42 innerhalb des Gehäuses 6 verläuft im Wesentlichen in x-Richtung . Die weitere Aus führung der Halbleiteranordnung 2 in FIG 4 entspricht der Aus führung in FIG 1 .
FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichters 66 , welcher eine Halbleiteranordnung 2 sowie eine Kühlvorrichtung 68 umfasst . Die aus dem Ablauf 50 von der Halbleiteranordnung 2 abgegebene Kühlmittelströmung 42 wird über die Kühlvorrichtung 68 , welche beispielsweise einen Wärmetauscher umfasst , gekühlt und über den Zulauf 38 wieder zugeführt . Der Stromrichter 66 kann mehr als eine Halbleiteranordnung 2 umfassen, welche mit zumindest einer Kühlvorrichtung 68 einen Kühlkreislauf ausbilden .
Zusammenfassend betri f ft die Erfindung eine Halbleiteranordnung 2 , insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter 66 , mit zumindest einem Halbleiterelement 4 , wobei das zumindest eine Halbleiterelement 4 in einem geschlossenen Gehäuse 6 angeordnet ist . Um die Rezyklierbarkeit der Halbleiteranordnung 2 zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Halbleiterelement 4 in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung 42 einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit 40, insbesondere Inertf lüssigkeit , steht.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiteranordnung (2) , insbesondere Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter (66) , mit zumindest einem Halbleiterelement (4) , wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem geschlossenen Gehäuse (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung (42) einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit (40) , insbesondere Inertf lüssigkeit , steht und das zumindest eine Halbleiterelement (4) kraf tschlüssig mit einem Trägerelement (14) verbunden ist, das zumindest einen Kanal (46) umfasst, durch welchen die Kühlmittelströmung (42) verläuft, wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) durch die Kühlflüssigkeit (40) benetzt ist.
2. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterelement (4) mittels eines ersten Presskontakts (22) kraf tschlüssig mit dem Trägerelement (14) verbunden ist.
3. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 2, wobei das Trägerelement (14) aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist und wobei das Halbleiterelement (4) über eine dielektrische Materiallage (16) elektrisch isolierend mit dem Trägerelement (14) verbunden ist.
4. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zumindest eine Kanal (46) in das geschlossene Gehäuse (6) mündet.
5. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, umfassend eine zweite Leitvorrichtung (48) , welche konfiguriert ist, die durch den zumindest einen Kanal (46) des Trägerelements (14) verlaufende Kühlmittelströmung (42) über das Halbleiterelement (4) zu leiten.
6. Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei auf einer dem Halbleiterelement (4) abgewandten Seite des Trägerelements (14) ein weiteres Halbleiterelement (54) , insbesondere mittels eines ersten Presskontakts (22) , kraftschlüssig mit dem Trägerelement (14) verbunden ist.
7. Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit (40) als Phasenwechselkühlmittel ausgeführt ist.
8. Halbleiteranordnung (2) nach Anspruch 7, wobei in dem geschlossenen Gehäuse (6) eine Kondensationsvorrichtung (58) zur Kondensation eines verdampften Kühlmittels (60) angeordnet ist.
9. Stromrichter (66) mit mindestens einer Halbleiteranordnung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche.
10. Verfahren zur Kühlung eines Halbleiterelements (4) in einer Halbleiteranordnung (2) , insbesondere einer Leistungshalbleiteranordnung für einen Stromrichter (66) , mit zumindest einem Halbleiterelement (4) , wobei das zumindest eine Halbleiterelement (4) in einem geschlossenen Gehäuse (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Halbleiterelement (4) in unmittelbarem Kontakt mit einer Kühlmittelströmung (42) einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit (40) , insbesondere Inertf lüssigkeit , gebracht wird .
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Halbleiterelement (4) mittels eines ersten Presskontakts (22) kraf tschlüssig mit einem Trägerelement (14) verbunden wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kühlmittelströmung (42) durch zumindest einen Kanal (46) des Trägerelements (14) geleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die durch den zumindest einen Kanal (46) des Trägerelements (14) geleitete Kühlmittelströmung (42) mittels einer zweiten Leitvorrichtung (48) über das Halbleiterelement (4) geleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei auf einer dem Halbleiterelement (4) abgewandten Seite des Trägerelements (14) ein weiteres Halbleiterelement (54) , insbesondere mittels eines ersten Presskontakts (22) , kraftschlüssig mit dem Trägerelement (14) verbunden wird, wobei die Kühlmittelströmung (42) , insbesondere symmetrisch, über die Halbleiterelemente (4, 54) geleitet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei mittels der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit (40) eine Phasenwechselkühlung erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei ein Sensor (52) im Bereich des Halbleiterelements (4) angeordnet wird, wobei die Kühlmittelströmung (42) anhand von Sensordaten, welche mit Hilfe des Sensors (52) ermittelt werden, geregelt wird .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, fass die Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
18. Verwendung einer Kühlmittelströmung (42) einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit (40) , insbesondere Inert flüssig- keit, zum Kühlen eines Halbleiterelements (4) in einem geschlossenen Gehäuse (6) , wobei die Kühlmittelströmung (42) in unmittelbarem Kontakt mit dem zumindest einen Halbleiterelement (4) steht.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (4) und das geschlossene Gehäuse (6) zu einer Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis
9 gehören.
20. Computerprogrammprodukt, welches als digitaler Zwilling einer Halbleiteranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist und welches bei einem Simulieren des Betriebsverhaltens einer korrespondierend ausgebildeten Halbleiteranordnung (2) verwendet wird.
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