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Die Erfindung beschreibt eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen
sowie Halbleitermodulen insbesondere von Halbleitermodulen der Leistungsklasse. Auf
Grund der geringen Flächenausdehnung bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit moderner
Halbleiterbauelemente ist eine effiziente und über die gesamte Lebensdauer gleichbleibend
effiziente Kühlung der Halbleiterbauelemente bzw. von daraus aufgebauten
Halbleitermodulen unerlässlich. Eine Verringerung der Kühlleistung geht in den meisten
Fällen mit einem Ausfall oder doch zumindest mit einer deutlich verminderten
Leistungsfähigkeit der Bauelemente bzw. der Module einher. Aus diesem Grund muss der
Kühleinrichtung sowie deren thermischen Anschluss an die zu kühlenden Bauelemente bzw.
Module besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
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Zu kühlende Halbleitermodule sind nach dem Stand der Technik aufgebaut auf keramischen
Substraten wie sie beispielsweise nach der US 3,744,120 hergestellt werden. Als Keramiken
kommen häufig Aluminiumoxid oder auch Aluminiumnitrid zum Einsatz.
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Stand der Technik und seine Nachteile
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Beispiele für moderne Leistungshalbleitermodule mit entsprechend hohen Anforderungen an
die dafür benötigten Kühleinrichtungen finden sich beispielhaft in der DE 196 30 173 C1
sowie in der DE 101 27 947 A1. In derartigen Modulen werden moderne
Leistungshalbleiterbauelemente wie MOSFETs oder IGBTs (insulated gate bipolar transistor)
eingesetzt, die eine Wärmeabgabe in Größenordnung von 500 W/cm2 erzeugen. Für die
Abführung derartiger Wärmemengen werden nach dem Stand der Technik Kühleinrichtungen
verwendet, die sich in ihrer prinzipiellen Ausführung alle ähneln. Auch die Anordnungen zu
dem zu kühlenden Bauelement bzw. dem Modul sind weitgehend identisch. Zur thermischen
Ankopplung werden unterschiedliche Verfahren verwendet.
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Eine Kühleinrichtung nach dem aktuellen Stand der Technik, wie er beispielsweise in der
DE 198 52 933 A gezeigt ist, besteht aus einem Grundkörper mit daran angeordneten flächig
ausgedehnten Kühlrippen. Die bekanntesten einstückigen Ausgestaltungen derartiger
Kühleinrichtungen sind Strangpressprofile, wie sie kostengünstig aus Aluminium hergestellt
werden können. Bei derartigen Strangpressprofilen können die Kühlrippen mit planer
Oberfläche oder mit längs der Kühlrippen parallel zum Grundkörper verlaufenden Strukturen
versehen sein. Effizientere Ausgestaltungen des gleichen Grundgedankens sind aus der
DE 198 52 933 A bekannt, hierbei werden die Kühlrippen gesondert auf dem Grundkörper
befestigt. Dies erlaubt flexiblere Ausgestaltungen der Kühlrippen und damit eine höhere
Kühlleistung der Kühleinrichtungen.
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Beispielsweise in der DE 198 06 978 A wird eine weitere Abwandlung des Grundgedankens
bekannter Kühleinrichtungen mit einem Grundkörper und darauf angeordneten
Kühlelementen vorgestellt. Hierbei sind die Kühlelemente nicht als flächige Kühlrippen,
sondern als Wellrippen angeordnet.
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Allen dem bisher genannten Stand der Technik zuordenbaren Kühleinrichtungen ist
gemeinsam, dass der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem zu
kühlenden Bauelement bzw. Modul über den flächig ausgedehnten Grundkörper der
Kühleinrichtung hergestellt wird. Zur Verbindung werden sowohl stoffbündige als auch
stoffschlüssige Verfahren angewandt.
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Zu den stoffschlüssigen Verfahren zählt als das bekannteste das Löten des Grundkörpers
auf das zu kühlenden Bauelement bzw. Modul. Die stoffschlüssige Aufbautechnologie weist
im wesentlichen zwei Nachteile auf:
- 1. Großflächige Lötverbindungen wie sie speziell bei Halbleitermodulen notwendig sind,
sind technologisch schwer beherrschbar. Eine homogene, lunkerfreie Lötung großer
Flächen ist nur mittels aufwendiger Verfahren wie sie beispielhaft in der
DE 199 11 887 C1 vorgestellt werden, realisierbar. Wobei auch diese Verfahren bei
zunehmender Größe der zu verbindenden Flächen die oben genannten Problemen
aufwerfen.
- 2. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischen Substraten liegt bei Werten
von kleiner 8 × 10-6/K. Dem gegenüber steht der thermische Ausdehnungskoeffizient von
typischen metallischen Kühleinrichtungen bei 17 bis 26 × 10-6/K. Dies führt skalierend mit
der Ausdehnung der stoffschlüssigen Verbindung zu zunehmenden Problemen während
des Betriebs, da bei Leistungshalbleitermodulen je nach Anwendung
Temperaturänderungen von bis zu 150K auftreten. Diese Temperaturänderungen in
Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen
über die Lebensdauer eines Bauelements bzw. Moduls zu einer lokalen oder
vollständigen Zerstörung der stoffschlüssigen Verbindung. Dies wiederum führt zu einer
Reduzierung der übertragbaren Wärmelast. Die hieraus folgende Erhöhung der
Temperatur der Halbleiterbauelemente führt zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit oder
zum vorzeitigen Ausfall.
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Zu den stoffbündigen Verfahren zählt beispielhaft die Druckkontaktierung eines
Leistungshalbleitermoduls mit der Kühleinrichtung, wie sie in der EP 0 597 254 B1
beschrieben ist. Hierbei wird das Halbleitermodul mittels einer Druckeinrichtung auf den
Grundkörper der Kühleinrichtung gedrückt. Um einen über die Kontaktfläche homogenen
Wärmeübergang zu gewährleisten, wird zwischen die Keramik des Moduls und den
Grundkörper des Kühlelements ein wärmeleitendes pastöses oder elastisches Medium
eingebracht. Nachteilig an dieser Aufbautechnologie ist der Wärmewiderstand dieses
wärmeleitenden Mediums. Derartige Schichten tragen zu mehr als 50% zum
Wärmewiderstand der Gesamtanordnung aus Halbleitermodul und Kühleinrichtung bei.
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Für Halbleitermodule ist eine weitere Ausgestaltung von Kühleinrichtungen beispielsweise
aus der DE 198 53 750 A1 bekannt. Hierbei ist die Kühleinrichtung in ein Substrat, das als
Basis eines Halbleitermoduls dient, integriert. Es entfällt somit die zusätzliche thermische
Ankopplung durch den integrierten Aufbau des Moduls und der Kühleinrichtung. Nachteilig
an dieser Ausgestaltung sind einerseits die hohen Kosten für deren Herstellung sowie
andererseits die räumliche Gestalt der in das Substrat integrierten Kühleinrichtung. Diese
erfordert einen wesentlich aufwendigeren Fertigungsprozess, da derartige Substrate mit
integrierter Kühleinrichtung nicht auf Standardmaschinen verarbeitet werden können.
Derartige Standardmaschinen sind auf die Fertigung von Halbleitermodulen ausgelegt, bei
denen ein nachträgliches Anbringen der Kühleinrichtung vorgesehen ist.
Aufgabe
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kühleinrichtung zur Verwendung
verschiedener Kühlmedien vorzustellen, die eine effiziente Kühlung von einzelnen
Halbleiterbauelementen oder von Halbleiterbauelementen sowie anderen Bauelementen als
Bestandteilen von Halbleitermodulen gewährleistet, wobei stoffschlüssige wie auch
stoffbündige Verbindungstechniken eingesetzt werden können, wobei auf großflächige
stoffschlüssige Verbindungen verzichtet werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist, bei einer Kühleinrichtung auf einen gemeinsamen
großflächigen Grundkörper, auf dem mehrere Kühlelemente angeordnet sind und der
räumlich zwischen dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul und den einzelnen
Kühlelementen angeordnet ist, zu verzichten.
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Die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement oder Halbleitermodul erfolgt über
einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem Grundkörper und einer fingerartigen
Fortsetzung bestehen, wobei der Grundkörper keine größere laterale Ausdehnung als die
fingerartige Fortsetzung aufweisen muss. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in
Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Falls es durch die
Verwendung eines beispielsweise flüssigen Kühlmediums oder die Aufbautechnologie
gefordert ist, können alle oder nur Gruppen von einzelnen Kühlelementen mit jeweils einem
weiteren Teilkörper, der sich auf der dem zu kühlenden Bauelement oder Modul
abgewandten Seiten der Kühlelemente befindet, verbunden sein. Die nicht dem zu
kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelementen
können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen
aufweisen.
Ausführungsbeispiel/e
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Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der Fig. 1 bis 5
erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener Kühleinrichtung nach dem
Stand der Technik.
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Fig. 2 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung
gebildet aus in ihrem Querschnitt runden Kühlelementen.
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Fig. 3 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung
gebildet aus in ihrem Querschnitt eckigen Kühlelementen.
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Fig. 4 zeigt verschiedene Ausgestaltungsformen der erfinderischen Kühlelemente.
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Fig. 5 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer
Kühleinrichtung.
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Fig. 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse,
ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem keramischen Substrat 10 mit
auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen 11
sowie auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneter vollflächigen Metallkaschierung 12.
Derartig metallkaschierte Substrate 1 sind beispielsweise als DCB- (direct copper bonding)
Substrate bekannt. Auf der metallkaschierten Fläche 11 befinden sich löttechnisch 13
aufgebrachte Bauelemente 14, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Leistungsdioden,
Widerstände oder Sensoren. Einige dieser Bauelemente sind mittels Bondverbindungen 15
mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14
entstehende Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1
abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer großflächigen Lötverbindung 20 auf das
Kühlelement 200 abgeleitet. Das Kühlelement besteht nach dem Stand der Technik aus
einem der DCB zugewandten Grundkörper 220 sowie darauf angeordneten flächigen
Kühlrippen 210. Gleichfalls dem Stand der Technik entspricht ein stoffbündiger Anschluss
des Kühlelements 200 mittels eines druckkontaktierten Aufbaus, wobei die DCB zur
thermischen Verbindung auf das Kühlelement gedrückt wird und anstelle der Lötverbindung
20 eine geeignete Wärmeleitpaste eingebracht ist.
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Fig. 2 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche der
DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die
erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen angeordnet. Als
stoffschlüssige Verbindungen eignen sich für diese Anordnung alle nach dem Stand der
Technik bekannten Verfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen.
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Die einzelnen Kühlelemente sind matrixartig, das heißt in Reihen und Spalten mit jeweils
gleichem Abstand der einzelnen Kühlelemente zueinander angeordnet. Jedes Kühlelement 3
der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem zylinderförmigen Grundkörper 31 mit
einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32, welche sich zur von der DCB 1 abgewandten Seite
des Kühlelements 3 hin verjüngt.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite
Hauptfläche der DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10
ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen 3
stoffschlüssig aufgebracht.
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Die einzelnen Kühlelemente 3 sind matrixartig, in Gruppen mit unterschiedlichem Abstand
der Gruppen zueinander sowie in den Gruppen mit unterschiedlichen Abständen der
Kühlelemente 3 zueinander angeordnet. Es erweist sich als vorteilhaft Gruppen an
denjenigen Stellen der DCB 1 zu bilden, an denen die größte Wärmelast abgeführt werden
muss. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem
quaderförmigen Grundkörper 31 mit einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit
kleinerer Grundfläche als der Grundkörper 31. Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung in
Gruppen einzelner Kühlelemente können, um den unterschiedlichen abzuführenden
Wärmelasten gerecht zu werden, Kühlelement unterschiedlicher Form, Größe oder
Oberflächengestaltung in einer Kühleinrichtung verwendet werden.
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Fig. 4 zeigt einige verschiedene Ausgestaltungen der erfinderischen Kühlelemente 3. Fig.
4a) zeigt ein einzelnes Kühlelement aus der Fig. 2 mit einem zylindrischen Grundkörper 31
und einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32. Fig. 4b) zeigt ein einzelnes Kühlelement,
ähnlich Fig. 3, mit einem quaderförmigen Grundkörper 31 und einer ebenfalls
quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der zugehörige Grundkörper. Fig.
4c) zeigt ein zylindrisches Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32
identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4d) zeigt ein quaderförmiges Kühlelement, bei dem
der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4e)
zeigt ein Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 quaderförmig sowie die Erhebung 32
kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Fig. 4f) zeigt ein Kühlelement mit zylindrischem
Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls zylindrischen Erhebung 32, deren Oberfläche zur
besseren Wärmeableitung wellenförmig strukturiert ist. Fig. 4g) zeigt ein Kühlelement mit
quaderförmigem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit
jeweils gleichen Grundflächen, wobei die nicht zum thermischem Kontakt mir der DCB 1
benötigten Oberflächen zur besseren Wärmeableitung sägezahnartig strukturiert sind. Fig.
4h) zeigt ein Kühlelement 3 als Teil einer erfinderischen Kühleinrichtung 4 mit einem
quaderförmigen Grundkörper und mehr als einer, hier drei kegelstumpfförmigen Erhebungen
32.
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Die einzelnen Kühlelemente 3 der Kühleinrichtung 4 können jeweils einstückig aus einem gut
wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
bestehen. Falls es technisch erforderlich ist, kann der Grundkörper 31 eines Kühlelements 3
aus einem anderen Werkstoff als die zugehörige Erhebung 32 bestehen.
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Fig. 5 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse,
ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem DCB- Substrat 1, wobei sich
auf der metallkaschierten Fläche 11 löttechnisch 13 aufgebrachte Bauelemente 14 befinden.
Einige dieser Bauelemente 14 sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren
metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehenden Wärme
wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1 abgegeben. Von dort wird die
Wärme mittel einer stoffschlüssig, beispielhaft mittels Lot 20, mit der DCB 1 verbundenen
erfinderischen Kühleinrichtung 4 an ein Kühlmedium abgegeben. Eine Mehrzahl von
einzelnen Kühlelementen 3 sind hier mittels eines weiteren Teilkörpers 33 mit der
Kühleinrichtung 4 verbunden. Dies kann technisch erforderlich sein, wenn
- - als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet wird und durch den Teilkörper 33 ein
geschlossener Kühlmittelkreislauf erreicht werden kann; und/oder
- - als Verbindung zwischen der DCB 1 und dem Kühlelement 4 eine Druckkontaktierung
verwendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft das Kühlelement 4 in größeren Einheiten von
Kühlelementen 3 mit der DCB 1 zu verbinden. In diesem Fall würde das Lot 20 durch ein
wärmeleitendes Medium ersetzt werden können.
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Die vorgestellte erfinderische Kühleinrichtung 4 weist gegenüber Kühleinrichtungen nach
dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:
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Bei stoffschlüssigen Verbindungen sind nur kleinflächige Verbindungsflächen vorhanden.
Daher werden die Auswirkungen thermischer Ausdehnungseffekte vermindert oder
vollständig verhindert.
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Bei stoffbündigen sowie stoffschlüssigen Verbindungen wird die Wärme dezidiert an den
Stellen abgeleitet, an denen sie auftritt.
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Es können beliebige gasförmige oder flüssige Kühlmedien verwendet werden.