WO1992014264A1 - Anordnung wärmeerzeugender bauelemente in einer flüssigkeitsgekühlten einrichtung - Google Patents

Anordnung wärmeerzeugender bauelemente in einer flüssigkeitsgekühlten einrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO1992014264A1
WO1992014264A1 PCT/EP1992/000111 EP9200111W WO9214264A1 WO 1992014264 A1 WO1992014264 A1 WO 1992014264A1 EP 9200111 W EP9200111 W EP 9200111W WO 9214264 A1 WO9214264 A1 WO 9214264A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
components
arrangement
electrodes
plate
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP1992/000111
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Joachim Krokoszinski
Kurt Langer
Wilhelm Peter Walther
Original Assignee
Abb Patent Gmbh
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 Abb Patent Gmbh filed Critical Abb Patent Gmbh
Priority to JP4502898A priority Critical patent/JPH06507044A/ja
Publication of WO1992014264A1 publication Critical patent/WO1992014264A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
    • H01L25/11—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/115—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of at least two heat-generating components, in particular power semiconductor components, the arrangement comprising means for heat dissipation using an electrically insulating cooling liquid, and means for realizing an electrical circuit.
  • DE-Al-39 10 470 describes several versions of a power semiconductor switch device.
  • a fifth embodiment is shown in FIGS. 23 and 24 and described in columns 14 and 15 of the publication, which contains liquid-cooled electrodes.
  • a plurality of semiconductor chips electrically connected in parallel by the electrodes are arranged between the electrodes.
  • the electrodes consist of a hollowed-out AIN plate, which is coated with a copper foil using the direct connection method.
  • the chips are soldered to the foil of the electrodes.
  • the electrodes are also through an insulating housing connected together.
  • the coolant guide requires external pipe or hose connections on the electrodes if these are to be supplied by a common cooling device. An arrangement for realizing other electrical circuits instead of a parallel connection is not specified.
  • Power semiconductor modules are installed on a heat sink with the interposition of a thermal paste between the module and the heat sink in order to improve the heat transfer from the bottom of the module to the heat sink surface by filling in small bumps. This measure is necessary in order to ensure heat dissipation from power semiconductor components with high heat flow densities.
  • the thermal paste means one in the layer sequence such an arrangement one of the largest individual heat resistors.
  • a second essential individual thermal resistance is caused by electrically insulating layers if it is a module with an electrically insulated structure, as described in DE-OS 36 04 882.
  • ceramic substrates are used whose thermal resistance at a substrate thickness of 0.63 mm is approximately as great as the thermal resistance of the thermal paste.
  • the heat generated by components is dissipated only through one side, namely via the base plate of the module.
  • the heat dissipation via electrical connections of the module is negligible. At high currents, wire bonds or soldered copper clips can even become so hot that they give off heat to the component.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for cooling heat-generating components, in particular power semiconductor components, which avoids the disadvantages and restrictions of known arrangements.
  • an electrically insulating coolant and b) means for realizing electrical circuits or circuit parts while avoiding non-integrated electrical lines, c) electrically insulating parts of the arrangement consisting of ceramics which are connected to one another by metallic parts in a direct connection method, and d) such composite bodies as well as other components to be mechanically connected have a solderable surface and are connected to one another by soft soldering. and with the following further features: e) at least one of the components is arranged in a module and hermetically encapsulated, the
  • Connections and channels for guiding the cooling liquid - a single cooling circuit common to the entire arrangement, metallic electrodes and - an electrically insulating plate with metallized main surfaces arranged between the electrodes, a connecting channel and at least one cutout opening for Components, and f) several modules can be connected to each other to form a compact integrated arrangement with the interposition of an electrically insulating component and by connection with possibly further components by soft soldering, wherein electrical circuits or circuit parts that do not have a parallel connection can also be implemented of components.
  • the arrangements proposed by the invention have the advantage that the most important thermal resistances of known module arrangements, namely thermal pastes and ceramic substrates, are eliminated from the heat flow, and loss losses in the kilowatt range can also be dissipated with a very intensive liquid cooling.
  • the heat is removed from the component on two sides. Cables cannot feed any additional power loss into the components.
  • the construction proposed by the invention leads to a reduced volume and weight of the overall arrangement.
  • the arrangement can advantageously be produced with an automated production device, it being possible for all of the components to be soldered to be stacked together in a soldering process.
  • the electrically insulated routing of the coolant from a first electrode to a second electrode ensures that, despite the required electrical insulation between the electrodes, only one common coolant circuit is required.
  • One of the configurations relates to a stack arrangement of silicon wafers, compensating blanks and solder material, the stack arrangement either being pre-soldered into the overall arrangement or being soldered together with the other components.
  • a further embodiment relates to an electrically insulated insertion of modules in a coolant circuit of a more extensive arrangement using a coolant supply block and insulating plates.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the drawing, further configuration options being described.
  • FIG. 1 power semiconductor module
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of a component and an electrically insulating plate from the module shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 power semiconductor module with coolant supply block
  • FIG. 4 power semiconductor module with two parallel diodes
  • FIG. 5 diode half bridge
  • FIG. 6 circuit diagram of a circuit part from a power supply device
  • FIG. 1 shows the construction principle of the arrangement according to the invention using a power semiconductor module 13 which is distinguished by a high power density.
  • the arrangement contains an electrically insulating plate 1 with a cutout opening (2) into which a heat-generating component 3 is inserted.
  • the plate 1 can be, for example, an aluminum oxide plate, the upper and lower main surfaces 4, 5 of which are metallized in order to achieve solderability.
  • the metallization of the plate 1 are For example, copper foils 6 (see FIG. 2) are suitable, which are connected to the ceramic plate 1 by a direct connection method.
  • the component 3 to be cooled can, for. B. be a power semiconductor device, or a resistance device.
  • the main surfaces 6, 7 of the component 3 are designed to be solderable.
  • the upper main surfaces 4, 6 of the plate 1 and the component 3 are connected with the aid of soft solder 8 to an upper electrode 9, for example a plus electrode, and accordingly the lower main surfaces 5, 7 of the plate 1 and the construction elements 3 with a lower electrode 10, for example a minus electrode.
  • the electrodes 9, 10 can preferably be made of copper and each have interconnected cavities 11 for guiding a cooling liquid 12. In principle, separate cooling circuits could be provided for each electrode. However, an arrangement of a single cooling circuit, which is guided in the module 13 shown, is preferred, from a coolant inlet 14 through the cavities 11 of the upper electrode 9 via a connecting channel 16, which leads through a bore in the plate 1, via the cavities ⁇ spaces 11 of the lower electrode 10 to a coolant outlet 15.
  • the plate 1 is intended on the one hand to establish a mechanical connection between the electrodes 9, 10 and on the other hand to ensure electrical insulation between the two electrodes 9, 10.
  • the thermal conductivity of the plate 1 is practically irrelevant since it is not switched on in the heat flow.
  • the heat flows from the component 3 via the solder material 8 to the electrodes 9 and 10, respectively.
  • Suitable cooling liquids 12 are, for example, water and oil and other liquids known from the prior art with electrically insulating properties which are relevant for heat dissipation.
  • the cutout opening 2 and bores for the connecting channel 16 in a ceramic plate 1 can e.g. by ultrasonic drilling and, in the case of printed circuit board material, by simple drilling or milling.
  • the cavities 11 in the electrodes 9, 10 can e.g. are designed as meandering cooling channels and, for example in the case of copper electrodes, are produced by milling or forging.
  • the electrodes 9, 10 can be composed of two parts, as shown in FIG. 1, the cooling channels being milled in one part and the parts being connected by soft soldering, hard soldering or electron beam welding.
  • FIG. 2 shows a detail from FIG. 1, namely a possible embodiment of the plate 1 and the component 3.
  • the plate 1 can be, for example, a directly bonded aluminum oxide plate 17 with a thickness of 630 ⁇ m with copper foils 18 on both sides with a thickness of 300 ⁇ m.
  • the component 3 can be, for example, a 360 ⁇ m thick power semiconductor diode 19, for example a Schottky diode with an upper, for example 500 ⁇ m thick and a lower, for example 250 ⁇ m thick, molybdenum tube 20.
  • the thickness of the plate 1 and the component 3 need not exactly match.
  • a thickness of the plate 1 of, for example, 1.23 mm and of the component 3 of, for example, 1.11 mm can be compensated for by a different solder layer thickness, which arises automatically when soldering.
  • aluminum oxide aluminum nitride can also be used for plate 1, for example, and instead of directly bonded copper foils also thick-film copper or chemically deposited copper.
  • the plate 1 can also be a conventional printed circuit board with laminated copper.
  • the materials used for the individual components must be chosen taking into account the expansion properties in order to achieve good load resistance to the module.
  • FIG. 3 shows a supplement to the module 13 shown in FIG. 1 by a liquid supply block 21 which contains a supply line 22 and a return line 23 for cooling liquid 12.
  • the block 21 is connected to the module 13 with the interposition of an insulating plate 24 for electrical insulation. From the supply and return lines 22, 23 lead-throughs 25, which extend through bores in the insulating plate 24, lead the cooling liquid 12 to the cavities 11 of the electrodes 9, 10.
  • the insulating plate 24 is advantageous as an aluminum oxide plate directly bonded with metal foils executed and is soldered to the module 13 or the block 21. Of course, conventional pipe or hose connections can also be used instead of the coolant supply block 21.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment with two electrically connected diode chips as components 3.
  • FIG. 5 shows an embodiment Example, in which two modules 13 are interconnected with a coolant supply block 21 via an insulating plate 24 to form a diode shunt bridge 26 with a common cathode plate 27 and insulated anodes 28.
  • the block 21 is separated from the plate 27 by an insulating layer 37, which can also consist of an air gap.
  • a reverse arrangement with common anodes and separate cathodes looks identical.
  • the individual modules 13 each contain two diodes connected in parallel as components 3.
  • Such an arrangement, shown in FIG. 5, can be supplemented by further components, for example for realizing a compact power unit of a " power supply device.
  • FIG. 6 shows the circuit diagram of a circuit part from a power supply device.
  • Diodes D1 and D2 with their anodes A are connected to the secondary winding 29 of a transformer T, which also has a primary winding 30 and a core 21.
  • the cathodes K of the two diodes are connected to one another.
  • FIG. 7 shows a possible implementation of the formwork part shown in FIG. 6, starting from a diode half-bridge, similar to the arrangement shown in FIG. 5, but with a somewhat modified coolant guide and electrode design.
  • the secondary winding 29 is designed as a metal plate 32, for example made of copper, which has a central bore 33 and a pushing slot 34 between the bore 33 and a lower contact surface 35.
  • the metal plate 32 designed in this way forms the only turn of the secondary winding 29 , whose winding ends 36 are each soldered to an anode electrode 9 of the two modules 13.
  • the transformer core 31 is inserted through the bore 33 and contains the insulated primary winding 30, which consists of several turns wearing.
  • two diodes B1 and D2 connected in parallel are used as components 3.
  • the upper electrodes 9 can be simplified if the metal plate 32 is so thick that it can simultaneously perform the function of an upper electrode part, that is to say a covering of cooling liquid channels.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine kompakte Anordnung zur Kühlung wärmeerzeugender Bauelemente (3), insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen, die in Modulen (13) angeordnet sind, wobei gegenüber bekannten Anordnungen ein verbesserter Wärmeübergang zu einem Kühlflüssigkeitskreislauf erzielt wird. Dies wird durch Anordnung der Bauelemente (3) in Ausschnittöffnungen (2) einer elektrisch isolierten Platte (1) erreicht, wobei die Bauelemente (3) über zwei Hauptflächen (6, 7) mit flüssigkeitsgekühlten Elektroden (9, 10) kontaktiert sind und die Elektroden (9, 10) durch die Platte (1) voneinander elektrisch isoliert sind. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Diodenhalbbrücke (26), die aus Modulen (13) zusammengesetzt ist.

Description

Anordnung wärmeerzeuqender Bauelemente in einer flüssig¬ keitsgekühlten Einrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von wenig¬ stens zwei wärmeerzeugenden Bauelementen, insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen, wobei die Anordnung Mittel zur Wärmeabfuhr unter Verwendung einer elektrisch isolie¬ renden Kühflüssigkeit enthält, sowie Mittel zur Realisie¬ rung einer elektrischen Schaltung.
In der DE-Al-39 10 470 sind mehrere Ausführungen einer Lei¬ stungshalbleiter-Schaltervorrichtung beschrieben. Insbeson¬ dere ist eine in den Figuren 23 und 24 gezeigte und in den Spalten 14 und 15 der Druckschrift beschriebene fünfte Aus¬ führungsform enthalten, die flüssigkeitsgekühlte Elektroden enthält. Zwischen den Elektroden sind mehrere, durch die Elektroden elektrisch parallelgeschaltete Halbleiterchips angeordnet. Die Elektroden bestehen aus einer ausgehöhlten AIN-Platte, die im Direktverbindungsverfahren mit einer Kupferfolie beschichtet ist. Die Chips sind mit der Folie der Elektroden verlötet. Außerdem sind die Elektroden durch ein isolierendes Gehäuse miteinander verbunden. Die Kühl¬ mittelführung erfordert äußere Rohr- oder Schlauchverbin¬ dungen an den Elektroden, falls diese von einer gemeinsamen Kühleinrichtung versorgt werden sollen. Eine Anordnung zur Realisierung anderer elektrischer Schaltungen anstelle ei¬ ner Parallelschaltung ist nicht angegeben.
Eine Anordnung eines einzelnen druckkontaktierten Halblei¬ terbauelements, dessen flüssigkeitsgekühlte Elektroden ebenfalls äußere Leitungsverbindungen erfordert, ist der DE-OS-19 12 041 zu entnehmen.
Es ist außerdem aus der DE-OS 36 04 882 bekannt, Leistungs¬ halbleiterbauelemente in Leistungshalbleitermodulen anzu¬ ordnen. Ein solches Modul kann auf irgendeine Art von Küh¬ ler aufgeschraubt werden, um die im Modul erzeugte Wärme abzuführen. Bekannte Kühler sind z.B. luftgekühlte Alumi¬ nium-Stranggußkühlkörper oder flüssigkeitsgekühlte Platten (engl.: cold plates). Für die Kühlung von scheibenförmigen Leistungshalbleiterbauelementen der Stromrichter in Lokomo¬ tiven werden sogenannte Kühldosen eingesetzt, die bei¬ spielsweise in der DE-OS 37 40 233 beschrieben sind. Die Kühldosenanordnung erfordert einen Druckkontakt, der mit aufwendigen Spannvorrichtungen hergestellt wird.
Die Montage von Leistungshalbleitermodulen auf einen Kühl¬ körper erfolgt unter Zwischenfügung einer Wärmeleitpaste zwischen Modul und Kühlkörper, um durch Ausfüllen von klei¬ nen Unebenheiten den Wärmeübergang vom Modulboden zur Kühl¬ körperoberfläche zu verbessern. Diese Maßnahme ist erfor¬ derlich, um eine Wärmeabfuhr von Leistungshalbleiterbauele¬ menten mit hohen Wärmestromdichten zu gewährleisten. Die Wärmeleitpaste bedeutet aber in der Schichtenfolge einer solchen Anordnung einen der größten Einzel-Wärmewider¬ stände.
Ein zweiter wesentlicher Einzel-Wärmewiderstand wird durch elektrisch isolierende Schichten verursacht, wenn es sich um ein Modul mit elektrisch isoliertem Aufbau handelt, wie in der DE-OS 36 04 882 beschrieben. Um die bei einem sol¬ chen elektrisch isolierten Aufbau geforderte Potentialfrei¬ heit des Kühlkörpers zu gewährleisten, werden Keramiksub¬ strate verwendet, deren Wärmewiderstand bei einer Substrat¬ dicke von 0,63 mm etwa so groß ist, wie der Wärmewiderstand der Wärmeleitpaste.
Darüberhinaus wird bei Leistungshalbleitermodulen gemäß der DE-OS 36 04 882 die von Bauelementen erzeugte Wärme nur über eine Seite abgeführt, nämlich über die Bodenplatte des Moduls. Die Wärmeabf hr über elektrische Anschlüsse des Mo¬ duls ist vernachlässigbar gering. Bei hohen Strömen können Drahtbonds oder gelötete Kupferclips sogar so heiß werden, daß sie Wärme an das Bauelement abgeben.
Ausgehend von der DE-Al-39 10 470 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung von wärmeer¬ zeugenden Bauelementen, insbesondere Leistungshalbleiter¬ bauelementen anzugeben, die die Nachteile und Beschränkun¬ gen bekannter Anordnungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung Anordnung von wenigstens zwei wärmeerzeugenden Bauelementen, ins¬ besondere Leistungshalbleiterbauelementen, mit a) Mitteln zur Wärmeabfuhr von den Bauelementen unter
Verwendung einer elektrisch isolierenden Kühlflüssig¬ keit und b) Mitteln zur Realisierung elektrischer Schaltungen oder von Schaltungsteilen unter Vermeidung von nicht¬ integrierten elektrischen Leitungen, wobei c) elektrisch isolierende Teile der Anordnung aus Kera¬ mik bestehen, die mit metallischen Teilen im Direkt¬ verbindungsverfahren miteinander verbunden sind, und d) solche Verbundkörper wie auch weitere mechanisch zu verbindenden Komponenten eine lötfähige Oberfläche aufweisen und durch Weichlöten miteinander verbunden sind,. und mit nachstehenden weiteren Merkmalen: e) wenigstens eines der Bauelemente ist in einem Modul angeordnet und hermetisch gekapselt, das
Anschlüsse und Kanäle für die Führung der Kühl- - flüssigkeit eines-für die gesamte Anordnung ge¬ meinsamen einzigen Kühlkreislaufs, metallische Elektroden und - eine zwischen den Elektroden angeordnete elek¬ trisch isolierende Platte mit metallisierten Hauptflächen, einen Verbindungskanal und wenig¬ stens eine Ausschnittöffnung für Bauelemente aufweist, und f) mehrere Module sind unter Zwischenfügung einer elek¬ trisch isolierenden Komponente und durch Verbindung mit gegebenenfalls weiteren Komponenten durch Weich¬ löten miteinander zu einer kompakten integrierten Anordnung verbindbar, wobei auch elektrische Schal¬ tungen oder Schaltungsteile realisierbar sind, die keine Parallelschaltung von Bauelementen darstellen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen ange¬ geben. Die mit der Erfindung vorgeschlagenen Anordnungen haben den Vorteil, daß die wesentlichsten Wärmewiderstände be¬ kannter Modulanordnungen, nämlich Wärmeleitpasten und Kera¬ miksubstrate, aus dem Wärmestrom eliminiert sind, und mit einer sehr intensiven Flüssigkeitskühlung auch Verlustlei¬ stungen im Kilowattbereich abgeführt werden können. Die Wärmeabfuhr vom Bauelement erfolgt nach zwei Seiten. Zulei¬ tungen können keine zusätzliche Verlustleistung in die Bau¬ elemente einspeisen. Im Vergleich zu bekannten Anordnungen - auch solchen mit Flüssigkeitskühlung - führt die mit der Erfindung vorgeschlagene Bauweise zu einem verringerten Vo¬ lumen und Gewicht der Gesamtanordnung. Die Anordnung läßt sich vorteilhaft mit einer automatisierten Fertigungsein¬ richtung herstellen, wobei alle zu verlötenden Komponenten übereinder gestapelt in einem Lötvorgang verbunden werden können.
Durch die elektrisch isolierte Führung des Kühlmittels von einer ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode wird er¬ reicht, daß trotz der erforderlichen elektrischen Isolation zwischen den Elektroden nur ein gemeinsamer Kühlflüssig¬ keitskreislauf benötigt wird.
Eine der Ausgestaltungen bezieht sich auf eine Stapelanord¬ nung von Siliziumscheiben, Ausgleichsronden und Lotmate¬ rial, wobei die Stapelanordnung entweder vorgelötet in die Gesamtanordnung eingesetzt oder zusammen mit den übrigen Komponenten gelötet werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung bezieht sich auf eine elektrisch isolierte Einfügung von Modulen in einem Kühlmittelkreis¬ lauf einer umfangreicheren Anordnung unter Verwendung eines Kühlmittelzuführungsblocks und von Isolierplatten. Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten beschrieben sind.
Es zeigen:
Figur 1 Leistungshalbleitermodul,
Figur 2 Detaildarstellung eines Bauelements und einer elektrisch isolierenden Platte aus dem in Fi¬ gur 1 gezeigten Modul,
Figur 3 Leistungshalbleitermodul mit Kühlflüssigkeits- zuführungsblock,
Figur 4 Leistungshalbleitermodul mit zwei parallelen Dioden,
Figur 5 Diodenhalbbrücke,
Figur 6 Schaltbild eines Schaltungsteils aus einem Stromversorgungsgerät,
Figur 7 Realisierung des Schaltungsteils gemäß Figur 6 mit angepaßten Modulen gemäß Figur 1.
Figur 1 zeigt das Konstruktionsprinzip der erfindungsgemä¬ ßen Anordnung anhand eines Leistungshalbleitermoduls 13, das sich durch eine hohe Leistungsdichte auszeichnet.
Die Anordnung enthält eine elektrisch isolierende Platte 1, mit einer Ausschnittöffnung (2), in die ein wärmeerzeugen¬ des Bauelement 3 eingesetzt ist. Die Platte 1 kann z.B. eine Aluminiumoxidplatte sein, deren obere und untere Hauptflächen 4, 5 metallisiert sind, um Lötfähigkeit zu er¬ reichen. Zur Metallisierung der Platte 1 sind z.B. Kupferfolien 6 (vgl. Figur 2) geeignet, die nach einem Direktverbindunsverfahren mit der keramischen Platte 1 verbunden sind. Das zu kühlende Bauelement 3 kann z. B. ein Leistungshalbleiterbauelement sein, oder ein Widerstandsbauelement. Die Hauptflächen 6, 7 des Bauelementes 3 sind lötfähig ausgeführt. Die oberen Haup flächen 4, 6 der Platte 1 bzw. des Bauelements 3 sind mit Hilfe von Weichlot 8 mit einer oberen Elektrode 9, z.B. einer Plus-Elektrode, verbunden und entsprechend die unteren Hauptflächen 5, 7 der Platte 1 bzw. des Bau¬ elements 3 mit einer unteren Elektrode 10, z.B. einer Minus-Elektrode. Die Elektroden 9, 10 können vorzugswei¬ se aus Kupfer bestehen und weisen jeweils miteinander verbundene Hohlräume 11 zur Führung einer Kühlflüssig¬ keit 12 auf. Es könnten grundsätzlich je Elektrode ge¬ trennte Kühlkreisläufe vorgesehen werden. Bevorzugt wird jedoch eine Anordnung eines einzigen Kühlkreislaufs, der im dargestellten Modul 13 geführt ist, von einem Kühl- flüssigkeitseinla 14 durch die Hohlräume 11 der oberen Elektrode 9 weiter über einen Verbindungskanal 16, der durch eine Bohrung in der Platte 1 führt, über die Hohl¬ räume 11 der unteren Elektrode 10 zu einem Kühlflüssig- keitsausla3 15.
Die Platte 1 soll einerseits eine mechanische Verbindung zwischen den Elektroden 9, 10 herstellen und anderer¬ seits eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Elektroden 9, 10 sicherstellen. Das Wärmeleitvermögen der Platte 1 ist praktisch ohne Bedeutung, da sie nicht in den Wärmestrom eingeschaltet ist. Die Wärme fließt vom Bauelement 3 über das Lotmaterial 8 zu den Elektro¬ den 9 bzw. 10. Eine Schicht mit Wäπneleitpaste ist nicht vorhanden. Als Kühlflüssigkeit 12 kommen z.B. Wasser und öl und andere aus dem Stand der Technik bekannte Flüssigkeiten mit elektrisch isolierenden und für die Wärmeabfuhr re¬ levanten Eigenschaften in Betracht.
Die Ausschnittöffnung 2 und Bohrungen für den Verbin¬ dungskanal 16 in einer keramischen Platte 1 können z.B. durch Ultraschallbohren und bei Leiterplattenmaterial durch einfaches Bohren oder Fräsen hergestellt werden.
Die Hohlräume 11 in den Elektroden 9, 10 können z.B. als mäanderför ige Kühlkanäle ausgeführt werden und bei¬ spielsweise im Fall von Kupferelektroden durch Fräsen oder Schmieden hergestellt werden.
Die Elektroden 9, 10 können aus zwei Teilen, wie in Figur 1 dargestellt, zusammengesetzt sein, wobei in ei¬ nen Teil die Kühlkanäle gefräst werden und die Verbin¬ dung der Teile durch Weichlöten, Hartlöten oder Elektro- nenstrahlschweißen erfolgt.
Figur 2 zeigt ein Detail aus Figur 1, nämlich eine mög¬ liche Ausführung der Platte 1 und des Bauelements 3. Die Platte 1 kann z.B. eine direkt gebondete Aluminiumoxid¬ platte 17 mit 630 um Dicke mit beidseitigen Kupferfolien 18 mit 300 μm Dicke sein. Das Bauelement 3 kann z.B. eine 360 um dicke Leistungshalbleiterdiode 19, bei¬ spielsweise eine Schottkydiode mit einer oberen, z.B. 500 μm dicken und einer unteren, z.B. 250 μm dicken Mo- lybdänronde 20 sein. Die Dicke der Platte 1 und des Bau¬ elements 3 muß nicht exakt übereinstimmen. Eine Dicke der Platte 1 von z.B. 1,23 mm und des Bauelements 3 von z.B. 1,11 mm kann durch eine unterschiedliche Lot¬ schichtdicke, die sich beim Löten von allein einstellt, ausgeglichen werden. Anstelle von Aluminiumoxid kann für die Platte 1 z.B. auch Aluminiumnitr ά verwendet werden und anstelle von direkt gebondeten Kupferfolien auch Dickschicht-Kupfer oder chemisch abgeschiedenes Kupfer. Die Platte 1 kann aber auch eine übliche Leiterplatte m t laminiertem Kup¬ fer sein.
Die für die einzelnen Komponenten verwendeten Materiali¬ en müssen unter Beachtung der Ausdehnungseigenschaften gewählt werden, um eine gute Lastwechselfestigkeit des Moduls zu erzielen.
Figur 3 zeigt eine Ergänzung des in Figur 1 dargestell¬ ten Moduls 13 durch einen Flüssigkeitszuführungsblock 21, der eine Zuleitung 22 und eine Rückleitung 23 für Kühiflüssigkeit 12 enthält. Der Block 21 ist unter Zwi¬ schenfügung einer Isoiierplatte 24 zur elektrischen Iso¬ lierung mit dem Modul 13 verbunden. Von den Zu- und Rückleitungen 22, 23 führen Durchführungen 25, die durch Bohrungen in der Isolierplatte 24 reichen, die Kühlflüs¬ sigkeit 12 zu den Hohlräumen 11 der Elektroden 9, 10. Die Isolierplatte 24 ist vorteilhaft als mit Metalifo¬ lien direkt gebondete Aluminiumoxidpiatte ausgeführt und wird mit dem Modul 13 bzw. dem Block 21 verlötet. Selbstverständlich können anstelle des Kühlflüssigkeits- zuführungsblocks 21 auch übliche Rohr- oder Schlauchan¬ schlüsse verwendet werden.
In einem Modul 13 können auch mehrere wärmeerzeugende Bauelemente 3 angeordnet sein. Figur 4 zeigt ein Ausfüh- rungsbeispie mit zwei elektisch parallelgeschalteten Diodenchips als Bauelemente 3.
Aus einzelnen Modulen 13 können unter Zwischenschaltung von isolierenden Zwischenwänden auch größere Anordnungen zusammengefügt werden. Figur 5 zeigt dazu ein Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem zwei Module 13 unter Zwischen¬ schaltung eines- Kühifiüssigkeitszuführungsblocks 21 über eine Isolierpiatte 24 zu einer Diodenhaibbrücke 26 mit einer gemeinsamen Kathodenplatte 27 und isolierten Anoden 28 zusammengefügt sind. Der Block 21 ist durch eine Isolierschicht 37, die auch aus einem Luftspalt bestehen kann, von der Platte 27 getrennt. Eine umge¬ kehrte Anordnung _r.it gemeinsamen Anoden und getrennten Kathoden sieht identisch aus. Die einzelnen Module 13 enthalten im dargestellten Beispiel jeweils zwei parai- leigeschaltete Dioden als Bauelemente 3. Eine solche m Figur 5 dargestellte Anordnung kann durch weitere Kompo¬ nenten ergänzt werden, z.B. zur Realisierung eines kom¬ pakten Leistungsteiis eines "Stromversorgungsgeräts.
In Figur 6 ist das Schaltbild eines Schaltungsteils aus einem Stromversorgungsgerät gezeigt. .An die Sekundär¬ wicklung 29 eines Transformators T, der außerdem eine Primärwicklung 30 und einen Kern 21 aufweist, sind Di¬ oden Dl und D2 mit ihren Anoden A angeschlossen. Die Kathoden K der beiden Dioden sind miteinander verbunden.
Figur 7 zeigt eine mögliche Realisierung des in Figur 6 dargestellten Schal ungsteils, ausgehend von einer Di¬ odenhalbbrücke, ähnlich der in Figur 5 dargestellten Anordnung, jedoch mit etwas modifizierter Kühlmittelfüh- rung und Elektrodenausführung. Die Sekundärwicklung 29 ist als Metallplatte 32 z.B. aus Kupfer ausgeführt, die eine zentrale Bohrung 33 aufweist und einen druc gehen- den Schlitz 34 zwischen der Bohrung 33 und einer unteren Auflagefläche 35. Die so gestaltete Metallplatte 32 bil¬ det die einzige Windung der Sekundärwicklung 29, deren Wicklungsenden 36 jeweils mit einer Anodenelektrode 9 der beiden Module 13 verlötet sind. Durch die Bohrung 33 ist der Transformatorkern 31 gesteckt, der die aus meh¬ reren Windungen bestehende isolierte Primärwicklung 30 trägt. In den Modulen 13 sind jeweils zwei parallelge- schaitete Dioden Bl bzw. D2 als Bauelemente 3 einge¬ setzt. Wie aus der Figur 7 ersichtlich ist, können die oberen Elektroden 9 vereinfacht ausgeführt sein, wenn die Metallplatte 32 so dick ist, daß sie gleichzeitig die Funktion eines oberen Elektrodenteils, also einer Abdeckung von Kühlfiüssigkeitskanälen erfüllen kann.

Claims

13.Patentansprüche
1. Anordnung von wenigstens zwei wärmeerzeugenden Bauelementen (3) , insbesondere Leistungshalbleiterbauele¬ menten, mit a) Mitteln (11,16,21,24) zur Wärmeabfuhr von den Bauele¬ menten (3) unter Verwendung einer elektrisch isolie¬ renden Kühlflüssigkeit (12) und b) Mitteln (9,10,27,32) zur Realisierung elektrischer Schaltungen oder von Schaltungsteilen unter Vermei¬ dung von nichtintegrierten elektrischen Leitungen, wobei c) elektrisch isolierende Teile (17,24) der Anordnung aus Keramik bestehen, die mit metallischen Teilen im Direktverbindungsverfahren miteinander verbunden sind, und d) solche Verbundkörper (1,21,24) wie auch weitere me¬ chanisch zu verbindenden Komponenten (z.B. 32) eine lötfähige Oberfläche aufweisen und durch Weichlöten miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch nachstehende Merkmale: e) wenigstens eines der Bauelemente (3) ist in einem Mo¬ dul (13) angeordnet und hermetisch gekapselt, das
Anschlüsse (14,15) und Kanäle (11,16) für die
Führung der Kühlflüssigkeit (12) eines für die gesamte Anordnung gemeinsamen einzigen Kühl- kreislaufs, metallische Elektroden (9,10) und eine zwischen den Elektroden (9,10) angeordnete elektrisch isolierende Platte (1) mit metalli- sierten Hauptflächen (5,6), einen Verbindungs¬ kanal (16) und wenigstens eine Ausschnittöff¬ nung (2) für Bauelemente (3) aufweist, und f) mehrere Module (13) sind unter Zwischen fügung einer elektrisch isolierenden Komponente (21,24) und durch Verbindung mit gegebenenfalls weiteren Komponenten (32) durch Weichlöten miteinander zu einer kompakten integrierten Anordnung verbindbar, wobei auch elek¬ trische Schaltungen oder Schaltungsteile realisierbar sind, die keine Parallelschaltung von Bauelementen (3) darstellen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Moduls (13) mehrere Bauelemente (3) an¬ geordnet sind, die über die Elektroden (9 bzw. 10) paral¬ lelgeschaltet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß wenigstens ein Bauelement (3) als eine Sta¬ pelanordnung aus einer ersten Molybdänronde (20), einem Halbleiterbauelement (19) und einer zweiten Molybdänronde (20) mit jeweils zwischengefügtem Lotmaterial (8) ausge¬ führt ist.
4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abfuhr der Kühl¬ flüssigkeit (12) mit Hilfe eines Kühlflüssigkeitszufuhr- blocks (21) erfolgt, der eine Zuleitung (22) und eine Rück¬ leitung (23) enthält, die jeweils mit einer der Elektroden (9,10) verbunden ist, wobei der Block (21) unter Zwischen¬ fügung einer Isolierplatte (24), die Durchführungen (25) für die Kühlflüssigkeit (12) aufweist, mit den Elektroden (9,10) verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer Diodenhalbbrücke (26) a) zwei Module (13) über eine erste Isolierplatte (24), einen Kühlflüssigkeitszuführungsblock (21) und eine zweite Isolierplatte (24) durch Weichlöten miteinan¬ der verbunden sind, wobei unter Vermeidung äußerer Rohre oder Schläuche eine durchgehende Kühlmittelfüh¬ rung durch die Anordnung realisiert ist, und b) die Kathodenelektroden (10) der Module (13) mit einer Kathodenplatte (27) verlötet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenhalbbrücke (26) durch einen mechanisch und elektrisch angekoppelten Transformator (T) ergänzt ist, der aus einer Sekundärwicklung (29) mit einer Windung, einer Primärwicklung (30) und einem Kern (31) besteht, wobei a) die Sekundärwicklung (29) aus einer Metallplatte (32) mit einer zentralen Bohrung (33) und einem durchge¬ henden Schlitz (24) zwischen der zentralen Bohrung (33) und einer unteren Auflagefläche (35) der Metall¬ platte (32) besteht, b) die Metallplatte (32) mit ihren durch denSchlitz (24) getrennten Wicklungsenden (36) jeweils einer der An¬ odenelektroden (9) stehend angeordnet ist, c) der Kern (31) durch die Plattenbohrung (33) gesteckt ist und d) die Primärwicklung (30) auf dem Kern (31) angeordnet ist.
PCT/EP1992/000111 1991-02-06 1992-01-21 Anordnung wärmeerzeugender bauelemente in einer flüssigkeitsgekühlten einrichtung WO1992014264A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4502898A JPH06507044A (ja) 1991-02-06 1992-01-21 液冷式装置内の発熱器の配列構造

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914103486 DE4103486A1 (de) 1991-02-06 1991-02-06 Anordnung zur kuehlung waermeerzeugender bauelemente
DEP4103486.4 1991-02-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1992014264A1 true WO1992014264A1 (de) 1992-08-20

Family

ID=6424441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1992/000111 WO1992014264A1 (de) 1991-02-06 1992-01-21 Anordnung wärmeerzeugender bauelemente in einer flüssigkeitsgekühlten einrichtung

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0570392A1 (de)
JP (1) JPH06507044A (de)
DE (1) DE4103486A1 (de)
WO (1) WO1992014264A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4327895A1 (de) * 1993-08-19 1995-02-23 Abb Management Ag Stromrichtermodul
DE4421319A1 (de) * 1994-06-17 1995-12-21 Abb Management Ag Niederinduktives Leistungshalbleitermodul
DE10125695A1 (de) * 2001-05-25 2002-12-05 Eupec Gmbh & Co Kg Leistungshalbleiteranordnung
JP4120581B2 (ja) * 2003-12-24 2008-07-16 株式会社豊田中央研究所 パワーモジュール
CN107636827B (zh) 2015-04-13 2020-05-12 Abb瑞士股份有限公司 功率电子设备模块

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1462676A (fr) * 1965-09-01 1966-12-16 Dispositif de redressement double alternance ainsi que les machines telles que machines de soudage pouvues de ce dispositif ou dispositif similaire
GB2039416A (en) * 1979-01-12 1980-08-06 Nippon Telegraph & Telephone Assembly of cooled semiconductor elements
FR2551912A1 (fr) * 1983-09-13 1985-03-15 Honda Motor Co Ltd Transformateur a redresseur
US4989070A (en) * 1988-11-10 1991-01-29 Coriolis Corporation Modular heat sink structure

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2003573A1 (de) * 1968-03-09 1969-11-07 Mitsubishi Electric Corp
DE3910470C2 (de) * 1988-03-31 1995-03-09 Toshiba Kawasaki Kk Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung mit in den beteiligten Chips verringerter Wärmebelastung, insb. Wärmespannung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1462676A (fr) * 1965-09-01 1966-12-16 Dispositif de redressement double alternance ainsi que les machines telles que machines de soudage pouvues de ce dispositif ou dispositif similaire
GB2039416A (en) * 1979-01-12 1980-08-06 Nippon Telegraph & Telephone Assembly of cooled semiconductor elements
FR2551912A1 (fr) * 1983-09-13 1985-03-15 Honda Motor Co Ltd Transformateur a redresseur
US4989070A (en) * 1988-11-10 1991-01-29 Coriolis Corporation Modular heat sink structure

Also Published As

Publication number Publication date
DE4103486A1 (de) 1992-08-20
EP0570392A1 (de) 1993-11-24
JPH06507044A (ja) 1994-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3008753B1 (de) Leistungsmodul
DE102013207804B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Leistungsmoduls mit mittels Lichtbogenschweissen direkt verbundenen, wärmeleitenden Strukturen
DE102011083223B4 (de) Leistungshalbleitermodul mit integrierter Dickschichtleiterplatte
EP0985218B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum kühlen einer planarinduktivität
EP0688053B1 (de) Niederinduktives Leistungshalbleitermodul
DE102007005233B4 (de) Leistungsmodul
EP0811262A1 (de) Diodenlaserbauelement mit kühlelement sowie diodenlasermodul
DE3221199A1 (de) Halbleiteranordnung des isolierten typs
EP0805494A2 (de) Halbleiterleistungsmodul hoher Packungsdichte in Mehrschichtbauweise
DE10162966A1 (de) Leistungshalbleitermodul
WO2009132922A2 (de) Substrat-schaltungsmodul mit bauteilen in mehreren kontaktierungsebenen
WO2018114880A1 (de) Trägersubstrat für elektrische bauteile und verfahren zur herstellung eines trägersubstrats
DE3831610A1 (de) Schaltnetzteil
EP3874917B1 (de) Hochstromschaltung
WO1992014264A1 (de) Anordnung wärmeerzeugender bauelemente in einer flüssigkeitsgekühlten einrichtung
EP3117458B1 (de) Elektrische bauteilanordnung
DE19506091A1 (de) Kühlelement
DE102019115573B4 (de) Leistungselektronische Schalteinrichtung und Verfahren zur Herstellung
DE3147789A1 (de) Leistungsmodul und verfahren zu seiner herstellung
DE19849919A1 (de) Leistungshalbleitermodul
EP3345217B1 (de) Kühlvorrichtung, verfahren zur herstellung einer kühlvorrichtung und leistungsschaltung
DE102019213956A1 (de) (Leistungs-)Elektronikanordnung mit einer effizienten Kühlung
WO2022128340A1 (de) Verfahren zur herstellung einer elektronikbaugruppe, elektronikbaugruppe und kraftfahrzeug
WO2021058185A1 (de) Träger für elektrische bauelemente und elektronikmodul
EP3961698A1 (de) Halbleitermodul mit einem kühlkörper

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU MC NL SE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1992902780

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1992902780

Country of ref document: EP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1992902780

Country of ref document: EP