DE19603224A1

DE19603224A1 - Power semiconductor mechanical apparatus for e.g. power switch or rectifier

Info

Publication number: DE19603224A1
Application number: DE19603224A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Schuster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-07-31

Abstract

The apparatus includes a parallel circuit of multiple single semiconductor components (1) of reduced current carrying capability. The components, e.g. a diode, bipolar transistor, MOSFET, IGBT, MCT, are each formed on separate circuit boards (2) to form a module (5). Several identical modules are interconnected by through current rails (3) in parallel. The semiconductors in one module abut with the cooler side on a cooling face (4), while their opposite housing side abuts the first side of the circuit board. The current rails are fitted to the circuit board other side and clamped to the cooling face via insulated assembly members (6). An insulation layer (7) lies between the cooling surface and the component, the component being compressed against the cooling face.

Description

Die Erfindung betrifft eine mechanische Anordnung der Leistungselektronik zur Bildung von elektronischen Leistungsschaltern oder von Gleichrichterschaltungen der höheren Leistungsklasse. In diesem Fall wird es erforderlich, mehrere einzelne Halbleiterchips parallel zu schalten. Die Halbleiterhersteller bieten dazu sogenannte Module an; das sind Bauteile, in denen bereits mehrere einzelne Chips auf eine gemeinsame isolierte Kühlfläche montiert sind, die auf ihrer Oberseite meist mit Schraubanschlüssen versehen sind. Die Grundplatte eines solchen Moduls wird zur Wärmeabfuhr auf eine Kühlfläche geschraubt. So überzeugend diese technische Lösung zunächst ist, die Probleme liegen darin, daß die Preise der Module weltweit schon seit mehreren Jahren ein mehrfaches dessen betragen, was für mehrere kleinere Einzelbauteile mit zusammen gleicher Stromtragfähigkeit zu bezahlen ist. In angespannter Wettbewerbssituation haben viele Firmen deswegen keine andere Wahl, als ihre Hochstromschaltungen durch die Parallelschaltung vieler einzelner kleiner Halbleiterbauelemente zu realisieren. Eine solche Lösung ist z. B. in der Patentschrift DE 40 05 333 beschrieben. Obwohl sich diese Lösung in der Praxis sehr bewährt hat, so sind doch gravierende Nachteile vorhanden. Zum ersten ist der hohe Montageaufwand zu nennen, denn jedes einzelne Halbleiterbauelement hat seine eigene Schraubbefestigung. Zum zweiten sind die Kühlkörperkosten hoch, denn jedes Gewindeloch verursacht Kosten. Zum dritten sind mit der einzelnen und direkten Schraubbefestigung der Halbleiterbauteile die hohen Isolationsanforderungen für die Luft- und Kriechstrecken nicht den Griff zu bekommen, wenn man auf den Einsatz der sehr teuren und aufwendigen Hilfskühlschienen verzichten will und die Halbleiterbauelemente direkt auf den Kühlköper montieren will. Bei einem Einsatz bei 600V Gleichspannung sind z. B. gegen die Kühlfläche 6 mm Kriechstrecke vorzusehen. Dies ist bei den heutigen Halbleitergehäusen mit einer isolierten Schraubbefestigung nur äußerst aufwendig zu realisieren. Die Lösung nach besagtem Patent läßt sich also dafür aus Sicherheitsgründen nicht anwenden, wenn der Kühlkörper auf Massepotential liegen muß und man auf die Hilfskühlschienen verzichten will. Ein weiterer Nachteil ist der, daß für verschiedene Strombereiche je eine eigene Leiterplatte benötigt wird, welche die jeweils benötigte Anzahl der Halbleiterbauelemente enthält. Damit ergeben sich hohe Lagerkosten, und eine gewisse Unflexibilität, weil man lange vorher wissen muß, wieviel Platinen von jeder Leistungsklasse man bestellen und fertigen muß.The invention relates to a mechanical arrangement of the power electronics for formation of electronic circuit breakers or rectifier circuits of the higher Performance class. In this case, it becomes necessary to use several individual semiconductor chips to connect in parallel. The semiconductor manufacturers offer so-called modules; these are Components in which several individual chips are already isolated on a common one Cooling surface are mounted, which are usually provided with screw connections on their top are. The base plate of such a module is used for heat dissipation on a cooling surface screwed. As convincing as this technical solution is at first, the problems lie in that the prices of the modules worldwide have been multiple for several years amount to what for several smaller individual components with the same together Electricity capacity has to be paid. In a tense competitive situation, many have Companies therefore have no choice but to switch their high-current circuits through To implement parallel connection of many individual small semiconductor components. A such solution is e.g. B. described in the patent DE 40 05 333. Although this Solution has proven itself in practice, there are serious disadvantages. Firstly, the high assembly effort is worth mentioning, because each one Semiconductor device has its own screw mounting. Second, they are Heatsink costs high, because each threaded hole causes costs. Third are with the high level of individual and direct screw fastening of the semiconductor components Insulation requirements for the air and creepage distances not to get a grip, if you do without the use of the very expensive and complex auxiliary cooling rails wants and wants to mount the semiconductor components directly on the heat sink. At a Use at 600V DC are e.g. B. against the cooling surface 6 mm creepage distance to provide. This is the case with today's semiconductor packages with an isolated one Screw fastening can only be implemented with great effort. The solution after said For security reasons, the patent cannot therefore be used for the heat sink must be at ground potential and you want to do without the auxiliary cooling rails. On Another disadvantage is that a separate circuit board for different current ranges is required, which contains the required number of semiconductor components. This results in high storage costs, and a certain amount of inflexibility because you spend a long time must know beforehand how many boards from each performance class you order and manufacture got to.

Die Erfindung stellt es sich zur Aufgabe, eine wesentlich flexiblere und einfachere Anordnung zu erstellen, die aus einem Baukasten, bzw. Modulsystem besteht, so daß auch die Lagerhaltungskosten gesenkt werden können. Je nach dem benötigten Strombereich soll in ein Gerät eine kleinere oder größere Anzahl von in sich gleichartigen Modulen eingebaut werden können. Weiterhin sollen im Vergleich zum Stand der Technik die Montagekosten weiter gesenkt werden können. Die Kühlkörper sollen auf Massepotential liegen können und sollen nicht mehr zur Stromleitung und als elektrischer Anschluß eingesetzt werden. Die Halbleiterbauelemente sollen ohne weitere Hilfskühlschienen direkt auf der Hauptkühlfläche aufliegen können. Dabei müssen die Luft- und Kriechstreckenanforderungen mit den heute am Markt verfügbaren Halbleitergehäusen (z. B. TO247, TO3P, TO3PL) und den heute erhältlichen Isolierfolien sicher erfüllbar sein. Im Gegensatz zu den käuflichen Modulen der Halbleiterhersteller soll die neue Lösung es erlauben, nicht nur die Halbleiterschalter selber modular zu haben, sondern auch das dazu benötigte Umfeld. Bei einem Halbbrückenmodul einer resonanten Schaltung zum Beispiel sollen also auch die Stützkondensatoren, die Resonanz- bzw. Entlastungskondensatoren, gemeinsame Teile der Basis- oder Gateansteuerung usw. in einem erfindungsgemäßen Modul enthalten sein können.The object of the invention is a much more flexible and simple To create an arrangement that consists of a kit or module system, so that inventory costs can also be reduced. Depending on what you need Current range should be in a device a smaller or larger number of similar in itself Modules can be installed. Furthermore, compared to the prior art the assembly costs can be further reduced. The heat sinks are supposed to be on Ground potential can and should no longer be used to conduct electricity and as electrical Connection are used. The semiconductor components are said to be without further Auxiliary cooling rails can rest directly on the main cooling surface. The Clearance and creepage distance requirements with those available on the market today Semiconductor packages (e.g. TO247, TO3P, TO3PL) and the insulating foils available today be sure to be fulfilled. In contrast to the commercially available modules of semiconductor manufacturers the new solution allows not only to have the semiconductor switches themselves modular, but also the environment required for this. With a half-bridge module a resonant Circuit, for example, should also be the support capacitors, the resonance or Relief capacitors, common parts of the base or gate driver, etc. in can be included in a module according to the invention.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine bestimmte Anzahl solcher Halbleiterbauelemente auf einer je eigenen Leiterplatte aufgebracht sind und so ein Modul bilden und daß mehrere gleichartige dieser Module mittels durchgehender Stromschienen elektrisch miteinander verbunden und parallelgeschaltet sind und daß in einem Modul die Halbleiterbauelemente mit ihrer Kühlungsseite auf einer Kühlfläche aufliegen und mit ihrer entgegengesetzten Gehäuseseite auf der ersten Seite der Leiterplatte eines Moduls und daß die Stromschienen auf der anderen Seite der Leiterplatte aufliegen und mit nötigenfalls isolierten Montagemitteln gegen die Kühlfläche gespannt sind und die Halbleiterbauelemente dadurch gegen die Kühlfläche pressen. This object is achieved according to the invention in that a certain number such semiconductor components are applied to a separate circuit board and so form a module and that several similar of these modules by means of continuous Busbars are electrically connected and connected in parallel and that in a module, the semiconductor components with their cooling side on a cooling surface rest and with their opposite housing side on the first side of the PCB of a module and that the busbars on the other side of the Place the circuit board and, if necessary, insulated against the cooling surface are excited and thereby press the semiconductor components against the cooling surface.

Wenn der Kühlkörper isoliert sein muß, wird zwischen den Halbleiterbauelementen und der Kühlfläche eine Isolationsfolie eingebaut.If the heat sink must be insulated, is between the semiconductor devices and an insulation film is installed on the cooling surface.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß auf den Leiterplatten der Module weitere Komponenten der jeweiligen Schaltungsanordnung aufgebracht sind, so daß eine weitere Vereinfachung der Parallelschaltung ermöglicht wird. So kann man z. B. bei Gleichrichtermodulen eine RC-Schutz-Beschaltung vorsehen oder bei Halbbrückenmodulen z. B. die Stützkondensatoren des Zwischenkreises, evtl. Entlastungskreise und Teile der Basis- bzw. Gateansteuerung, so daß sich bei der Parallelschaltung mit jedem neu hinzu kommenden Modul möglichst viele der anderen benötigten Komponenten der gewählten Schaltung in gleicher Weise ebenfalls vervielfachen.Another advantageous embodiment provides that on the circuit boards of the modules further components of the respective circuit arrangement are applied, so that a further simplification of the parallel connection is made possible. So you can z. B. at Rectifier modules provide an RC protection circuit or at Half-bridge modules e.g. B. the support capacitors of the intermediate circuit, possibly Relief circuits and parts of the base or gate control, so that the Parallel connection with as many new modules as possible required components of the selected circuit in the same way as well multiply.

Um einen Toleranzausgleich gegen Unebenheiten und gegen eine leichte Verformung der Stromschienen oder Kühlkörper sowie gegen temperaturbedingte Verformungen zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, zwischen der Leiterplatte und den Halbleiterbauelementen eine dauerelastische Folie (z. B. aus Silikon) einzubauen. Diese kann bei hohen Anforderungen an die Kriechstrecken zusätzlichen Sicherheitsspielraum geben, wenn die Kupferbahnen der Leiterplatte direkt unter dem Halbleiterbauelement hindurch geführt werden müssen.A tolerance compensation against unevenness and against slight deformation the busbars or heat sink as well as against temperature-related deformations achieve, it may be advantageous between the circuit board and the Semiconductor components to install a permanently elastic film (e.g. made of silicone). This can provide additional safety margin when the creepage distances are high give when the copper traces of the circuit board directly under the semiconductor device must be passed through.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, zwischen der Leiterplatte und den Stromschienen elektrisch leitende Kontaktelemente einzubauen, z. B. beidseitig geriffelte Unterlegscheiben, die den Stromübergang verbessern können.Furthermore, it can be advantageous between the circuit board and the busbars to install electrically conductive contact elements, e.g. B. fluted on both sides Washers that can improve power transfer.

Als Halbleiterbauelemente können Dioden, bipolare Transistoren, MOS-FETs, IGBTs, MCTs, oder andere aktuelle Komponenten der Leistungselektronik verwendet werden.Diodes, bipolar transistors, MOS-FETs, IGBTs, MCTs, or other current components of power electronics can be used.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained in more detail with reference to drawings. It shows:

Fig. 1 Eine Anordnung nach der Erfindung mit drei parallelen Modulen mit Sicht auf die Leiterplatten, Fig. 1 shows an arrangement according to the invention with three parallel modules with view of the printed circuit boards,

Fig. 2 Eine Seitenansicht eines einzelnen montierten Halbleiterbauelementes. Fig. 2 is a side view of a single assembled semiconductor device.

In Fig. 1 sieht man einen beispielhaften Aufbau auf einer Kühlfläche 4, auf welche drei Module 5 montiert sind. Jedes dieser Module 5 ist hier mit vier Halbleiterbauelementen 1 bestückt. Daneben sind noch weitere Komponenten 9 auf der Leiterplatte 2 aufgelötet. Die Halbleiterbauelemente 1 befinden sich auf der Unterseite der Leiterplatte 2 und sind deshalb hier nur gestrichelt dargestellt. Die drei Module 5 sind durch zwei längere Stromschienen 3 miteinander verbunden und parallel geschaltet. Die Kontaktierung der Stromschienen 3 mit den Kupferbahnen der Leiterplatte 2 erfolgt durch den mechanischen Anpressdruck. Durch diesen Druck werden auch die Halbleiterbauelemente 1 zur Kühlung auf die Kühlfläche 4 gepreßt. Der Anpressdruck wird durch Montagemittel 6 (z. B. durch Schrauben) erzeugt, die in regelmäßigen Abständen die Stromschienen 3 gegen die Kühlfläche 4 spannen. Nötigenfalls müssen diese Montagemittel 6 isoliert sein.In FIG. 1, one sees an exemplary configuration on a cooling surface 4, on which three modules 5 is mounted. Each of these modules 5 is equipped with four semiconductor components 1 here. In addition, other components 9 are soldered onto the printed circuit board 2 . The semiconductor components 1 are located on the underside of the printed circuit board 2 and are therefore only shown in broken lines here. The three modules 5 are connected to one another by two longer busbars 3 and connected in parallel. The contacting of the busbars 3 with the copper tracks of the printed circuit board 2 takes place through the mechanical contact pressure. This pressure also presses the semiconductor components 1 onto the cooling surface 4 for cooling. The contact pressure is generated by assembly means 6 (e.g. by screws), which clamp the busbars 3 against the cooling surface 4 at regular intervals. If necessary, these assembly means 6 must be insulated.

In Fig. 2 ist eine beispielhafte Seitenansicht dargestellt. Auf der Kühlfläche 4 befindet sich eine dünne Isolationsfolie 7. Darauf kommt das Halbleiterbauelement 1 mit seiner Wärmeübergangsseite zu liegen. Über diesem befindet sich die dauerelastische Folie 8. Danach kommt die Leiterplatte 2 mit ihren Kupferbahnen. Direkt aufliegend befindet sich die Stromschiene 3, mittels derer der Schichtenaufbau zusammengepreßt wird. Zur besseren Kontaktgabe kann nötigenfalls zwischen Leiterplatte 2 und Stromschiene 3 ein z. B. geriffeltes oder gezahntes Kontaktelement 10 eingebaut werden.An exemplary side view is shown in FIG. 2. A thin insulation film 7 is located on the cooling surface 4 . The semiconductor component 1 comes to rest on it with its heat transfer side. The permanently elastic film 8 is located above this. Then comes the circuit board 2 with its copper tracks. Directly lying there is the busbar 3 , by means of which the layer structure is pressed together. To assure good contact, may be necessary if a z between PCB 2 and busbar third B. corrugated or toothed contact element 10 can be installed.

Claims

1. Mechanical arrangement of the power electronics to form electronic power switches or rectifier circuits realized by connecting several individual semiconductor components ( 1 ) in parallel with a lower current carrying capacity, characterized in that a certain number of such semiconductor components ( 1 ) are applied to their own circuit board ( 2 ) and thus form a module ( 5 ) and that several of the same type of these modules ( 5 ) are electrically connected to one another and connected in parallel by means of continuous busbars ( 3 ) and that in a module ( 5 ) the semiconductor components ( 1 ) with their cooling side on a cooling surface ( 4 ) and rest with their opposite side of the housing on the first side of the circuit board ( 2 ) and that the busbars ( 3 ) are attached to the other side of the circuit board ( 2 ) and, if necessary, insulated mounting means ( 6 ) are clamped against the cooling surface ( 4 ) Half conductor components ( 1 ) are pressed against the cooling surface ( 4 ).

2. Mechanical arrangement according to claim 1, characterized in that an insulating film ( 7 ) is installed between the semiconductor components ( 1 ) and the cooling surface ( 4 ).

3. Mechanical arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that on the circuit boards ( 2 ) of the modules ( 5 ) further components ( 9 ) of the respective circuit arrangement are applied by z. B. an RC protection circuit is provided in a rectifier module or in a half-bridge switch module z. B. the support capacitors of the intermediate circuit, possibly relief circuits and parts of the base or gate control, so that the other required components ( 9 ) of the selected circuit also multiply in the same way in the parallel connection with each new module ( 5 ).

4. Mechanical arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that a permanently elastic film ( 8 ) is installed between the circuit board ( 2 ) and the semiconductor components ( 1 ).

5. Mechanical arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the circuit board ( 2 ) and the busbars ( 3 ) electrically conductive contact elements ( 10 ) are installed.