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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aufbautechnik von Leistungshalbleitermodulen
und betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit einer wärmeleitenden
Bodenplatte, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht
und die eine Montagefläche zur
wärmeabführenden
Verbindung mit einem Kühlelement
aufweist, und mit mehreren individuellen Baugruppen mit jeweils
mindestens einem Leistungs-Halbleiter, die gegenüber der Montagefläche elektrisch
isoliert sind.
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Ein
derartiges Leistungshalbleitermodul geht aus der
DE 43 00 516 A1 hervor.
Es weist ein Substrat auf, das aus einem elektrisch isolierenden
Material, beispielsweise einer Aluminiumoxidkeramik, gebildet und
mit einer oberen und einer unteren Metallisierung versehen ist.
Auf der oberen Metallisierung, die strukturiert ausgebildet ist,
sind zwei Dioden angeordnet. Das Substrat ist in einer Ausnehmung
eines Modulgehäuserahmens
angeordnet, mittels dem das Substrat gegen einen Kühlkörper gepresst
wird. Zur Erzeugung der hierzu erforderliche Anpresskraft weist
der Modulgehäuserahmen
Befestigungslöcher auf,
an denen er mit dem Kühlkörper verschraubt wird.
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Aus
der
DE 197 21 061
A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einer metallischen
Grundplatte (Bodenplatte) bekannt, auf der mehrere Keramiksubstrate
nebeneinander angeordnet sind. Auf jedem Substrat ist eine individuelle,
autonome elektrische Baugruppe aufgebaut, die einen Leistungshalbleiter in
Form eines Bipolar-Transistors mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT)
und einer Freilaufdiode enthält.
Die Substrate bestehen beispielsweise jeweils aus einer Aluminiumoxidplatte,
die zwischen zwei (kaschierten) Kupferfolien angeordnet ist. Das
Substrat ist über
seine unterseitige Kupferfolie direkt mit der Bodenplatte verlötet. Die
freie (untere) Seite der Bodenplatte bildet eine Montagefläche, über die
das Modul mit einem Kühlkörper in
wärmeleitenden
Kontakt gebracht werden kann.
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Um
die notwendige elektrische Isolation der Leistungshalbleiter gegenüber der
Montagefläche bzw.
einem Kühlkörper sicherzustellen,
müssen
die Substrate eine ausreichende elektrische Isolation und Durchschlagfestigkeit
ausweisen. Dazu bedarf es einer erheblichen Substratdicke, die sich
wiederum nachteilig auf die Wärmeleitung
von den Leistungshalbleitern zur Montagefläche auswirken kann.
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Die
EP 0 459 283 A1 zeigt
eine Anordnung mit einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden
Substrat, das oberseitig mittels einer Hartlötschicht mit einem Bauteil,
beispielsweise einem Leistungshalbleiter, verbunden ist. Unterseitig
ist das Substrat mittels einer Weichlotschicht mit einem wärmeleitenden
Trägerkörper verbunden.
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Die
DE 36 10 288 A1 zeigt
ein Leistungshalbleitermodul mit einem Kunststoffgehäuse und
einem als Gehäuseboden
eingesetzten Keramiksubstrat, auf dem vier Diodenchips angeordnet
sind. Das Keramiksubstrat ist mit einer relativ dicken unterseitigen Kupferschicht
versehen, sowie mit einer oberseitigen Kupferschicht, die etwa dieselbe
Dicke aufweist wie die unterseitige Kupferschicht, wobei die Dicken
jeweils im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegen. Das Kunststoffgehäuse weist
einen zentralen Befestigungsteil mit mindestens einer durch das Befestigungsteil
und das Keramiksubstrat gehenden Bohrung auf. Die auf diese Weise
in der Mitte des Keramiksubstrats gebildete Öffnung ist von einem Verstärkungsring
umgeben. Der Verstärkungsring
kann beispielsweise durch Strukturieren der oberseitigen Kupferfolie
hergestellt werden.
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In
der
EP 0 037 301 A2 ist
ein Leistungshalbleitermodul beschrieben, das auf einer Seite einen metallischen
Sockel aufweist, auf dem aufeinander folgend ein Berylliumoxid-Substrat
und Gehäusedeckel
angeordnet sind. Die Befestigung des Moduls erfolgt mittels zweier
Befestigungsschrauben, die etwa im Bereich der Mitte zweier einander
gegenüberliegender
Längsseiten
des Moduls durch Berylliumoxid-Substrat den darunter befindlichen
metallischen Sockel mit einem Kühlkörper verschraubt
sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines
kostengünstig
und einfach herstellbaren Leistungshalbleitermoduls, das sich durch
eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen
Modul und Montagefläche
auszeichnet, dessen Bodenplatte eine ausreichende mechanische Festigkeit
aufweist und bei der Montage des Leistungshalbleitermoduls nicht
beschädigt
wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einem Leistungshalbleitermodul der eingangs
genannten Art eine Bodenplatte aus einem elektrisch isolierenden
Material vorgesehen, die eine Dicke von mindestens 1 mm aufweist.
In Eckbereichen der Bodenplatte sind Öffnungen für Befestigungsmittel vorgesehen. Die
Oberseite der Bodenplatte ist zumindest im Bereich der Öffnungen
metallisiert.
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Ein
Aspekt der Erfindung besteht außerdem darin,
die Funktion der elektrischen Isolierung zwischen Modul und Montagefläche bei
einem Modul mit mehreren Baugruppen bzw. baugruppentragenden individuellen
Substraten zumindest teilweise auf die Bodenplatte zu verlagern.
Mit anderen Worten:
Die elektrische Isolation der Baugruppen
gegenüber der
Montagefläche
ist zumindest teilweise von der Bodenplatte bewirkt. Damit kann
völlig
auf die Verwendung individueller Substrate als Baugruppenträger verzichtet
werden, was die Kosten und den Teile/Herstellungsaufwand erheblich
mindert.
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Allerdings
kann die Verwendung separater Substrate unter dem Aspekt der Handhabung und/oder
eines baugruppenindividuellen Vorab-Tests zweckmäßig sein; in diesem Zusammenhang
sieht eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung vor, die Baugruppen
jeweils auf einem Substrat anzuordnen, dessen Dicke im Hinblick
auf die Wärmeleitung
optimiert ist. Bei der Dimensionierung der Substratdicke können so
vorteilhafterweise andere Faktoren stärker als beim üblichen
Aufbau berücksichtigt
und weiteren Optimierungsaspekten – nämlich insbesondere der Verbesserung
der Wärmeleitung – Rechnung
getragen werden. Die Substrate können
also wesentlich dünner
ausgeführt
werden, solange im Zusammenwirken mit der isolierenden Bodenplatte
sichergestellt ist, dass bestehende Anforderungen an Isolation und
Teilentladungsfreiheit erfüllt
sind.
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Bevorzugt
besteht die Bodenplatte aus einem keramischen Werkstoff hoher thermischer
Leitfähigkeit,
z. B. AlN oder Si3N4.
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Durch
die Metallisierung der Oberseite der Bodenplatte zumindest im Bereich
der Öffnungen werden
mechanische Spannungen, die z. B. durch eine die Öffnungen
durchdringende Verschraubung erzeugt werden können, gleichmäßig auf
die Bodenplatte verteilt. Dies vermindert die Gefahr, dass die (spröde) Bodenplatte
infolge punktueller Belastungen bricht oder reißt.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Unterseite der Bodenplatte metallisiert ist. Dies verbessert
die Montagemöglichkeiten
der Bodenplatte und hilft, punktuelle Belastungen oder Spannungsspitzen
zu vermeiden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter
erläutert.
Deren einzige Figur zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch
ein erfindungsgemäßes Modul.
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1 zeigt
eine Bodenplatte 1 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff,
nämlich
einer Keramik (z. B. Si3N4).
Die Bodenplatte ist ca. 1,5 mm dick. In ihren Eckbereichen 2 sind
Durchgangsbohrungen 3 ausgebildet, um die als Montagefläche 4 fungierende
Unterseite der Bodenplatte bedarfsweise mit einem (nicht gezeigten)
Kühlkörper verschrauben
zu können.
Die Eckbereiche 2 sind mit einer Metallisierung 5 versehen,
um mechanische Spannungen, die bei Verschraubungen durch die Bohrungen 3 und auch
durch betriebsbedingte (z. B. thermische) Belastungen auftreten
können,
auf einen größeren Oberflächenbereich
der Bodenplatte gleichmäßig zu verteilen.
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Zur
Vermeidung von Spannungsspitzen ist die Unterseite 4 der
Bodenplatte vollständig
metallisiert. Denkbar ist auch, die Oberseite 6 und die
Unterseite 4 großflächig zu
metallisieren und die Oberseite ggf. zu strukturieren. Die beidseitige
Metallisierung hat den Vorteil, dass Verformungen (z. B. Verwölbungen)
aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von keramischem
Bodenplattenmaterial und Metallisierungsschichten gegengleiche Spannungen
erzeugen und sich so kompensieren.
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Auf
der Oberseite 6 der Bodenplatte 1 sind zwei Baugruppen 8, 9 angeordnet,
die jeweils mehrere Leistungshalbleiter 10, 11 und 12, 14 enthalten. Die
Baugruppen sind zur Bildung eines Hochleistungs-Halbleitermoduls
elektrisch parallel geschaltet und über angedeutete Bonddrähte kontaktiert.
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Die
Baugruppen 8, 9 sind jeweils auf einem Substrat 18, 19 aus
einer sehr dünnen
Keramikschicht 20, 21 aufgebaut, die nur wenige
1/10 mm beträgt.
Dadurch weisen die Substrate eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit
auf. Die von den Leistungshalbleitern betriebsbedingt generierte
Verlustwärme
kann also durch die dünnen
Substrate 18, 19 schnell und einfach auf die Bodenplatte übertragen werden,
von der aus die Wärme
zu einem (nicht dargestellten) Kühlkörper gelangt.
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Die
für die
Isolation der Baugruppen gegenüber
der Montagefläche 4 (bzw.
dem Kühlkörper) notwendige
isolierende Funktion wird zum ganz überwiegenden Teil von der aus
elektrisch isolierendem Material bestehenden Bodenplatte selbst
ausgeübt. Die
Isolationsfunktion kann auch vollständig der Bodenplatte überlassen
sein, so dass aus dieser Sicht auf die Substrate sogar ganz verzichtet
werden könnte.
In diesem Fall würde
auf der Oberseite 6 der Bodenplatte eine metallisierte
Struktur vorgesehen werden, auf der die Elemente der Baugruppen
direkt montiert werden.
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Damit
ist ein Modul mit einer sehr effektiven Verlustwärmeabfuhr geschaffen, das einfach
aufgebaut ist und bei dem die Bodenplatte unmittelbar mit einem
Kühlelement
verschraubt werden kann.
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- 1
- Bodenplatte
- 2
- Eckbereiche
- 3
- Durchgangsbohrungen
- 4
- Montagefläche
- 5
- Metallisierung
- 6
- Oberseite
- 8,
9
- Baugruppen
- 10,
11
- Leistungshalbleiter
- 12,
14
- Leistungshalbleiter
- 18,
19
- Substrat
- 20,
21
- Keramikschicht