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Dokumentenidentifikation DE102006045696B3 27.12.2007
Titel Elektronisches Leistungsmodul
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Reichenbach, Norbert, 92224 Amberg, DE
DE-Anmeldedatum 27.09.2006
DE-Aktenzeichen 102006045696
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 25/07(2006.01)A, F, I, 20060927, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/48(2006.01)A, L, I, 20060927, B, H, DE   H01L 23/36(2006.01)A, L, I, 20060927, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens zwei leitenden Schienen, zwischen die die Halbleiterelemente über eine Druckkontaktierung eingespannt sind. Um den notwendigen Toleranzausgleich und damit die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen Druckverteilung der Schienen auf die Halbleiterelemente ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich gegenüberliegenden Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene zwischen den Aussparungen einen Steg bildet. Durch die mittels des Steges erhaltene Flexibilität können auch größere Toleranzen (im typischen Bereich von 100 µm bis 400 µm) problemlos ausgeglichen werden. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Leistungshalbleiterbauteile und Schienen sind daher gering, so dass kostengünstige Bauelemente und einfache Fertigungsverfahren möglich sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens zwei leitenden Schienen, zwischen die die Halbleiterelemente über eine Druckkontaktierung eingespannt sind.

Ein derartiges Leistungsmodul kommt insbesondere als Bestandteil einer leistungselektronischen Einheit für den Sanftanlauf von Motoren zum Einsatz. Die leistungselektronische Einheit umfasst hier eines oder mehrere elektronische Leistungsmodule, die für Kurzzeitbelastung ausgelegt sein müssen. Das elektronische Leistungsmodul dient zur Stromführung und -beeinflussung in einer Phase, d.h. je nachdem, ob ein einphasiges oder dreiphasiges Netz vorliegt, wird eine entsprechende Anzahl von elektronischen Leistungsmodulen benötigt. Eine derartige leistungselektronische Einheit führt nur in der Anlaufphase des Motors Strom, der in der Betriebsphase von einem parallel geschalteten Schaltgerät übernommen wird. Beim Sanftanlauf von Motoren beträgt der Strom nur einen Bruchteil des Direkteinschaltstroms des Motors. Typischerweise beträgt der Strom während des Anlaufs 25% bis 75% des Direkteinschaltstroms. Mit dem Sanftanlauf bei reduziertem Strom ergibt sich allerdings eine verlängerte Anlaufzeit des Motors im Vergleich zu der beim Direkteinschalten.

In der Anlaufphase entstehen in den Halbleitern der elektronischen Leistungsmodule sehr hohe Verlustleistungen. Durch geeignete Kombination aus Leistungsmodul bzw. Leistungshalbleiter und Kühlkörper muss gewährleitstet sein, dass die für die Halbleiter zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird, um deren Zerstörung zu vermeiden. Insbesondere bei großen Strömen (d.h. mehr als etwa 150 A) werden die beiden Leistungshalbleiterelemente, z.B. Thyristor-Scheibenzellen, zwischen zwei Schienen gepresst, wovon eine oder auch beide Schienen als Kühlkörper ausgebildet sein können. Die Schienen dienen der Stromzufuhr und der Abfuhr der Verlustleistungswärme. Dies gelingt umso besser, je kleiner die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände sind. Eine Minimierung der Übergangswiderstände wird erreicht durch eine hohe Presskraft und durch eine plane Auflage der Schienenoberflächen auf den Halbleiterelementen. Durch die plane Auflage wird eine über die Auflagefläche homogene Druckverteilung erzielt. Inhomogene Druckverteilungen führen zu lokaler Überhitzung des Leistungshalbleiters. Dies kann zu dessen Zerstörung führen und muss deshalb unbedingt vermieden werden. Wegen unvermeidlicher Fertigungstoleranzen bei den Schienen und den Leistungshalbleiterelementen liegen die Auflageflächen in der Regel nicht in einer Ebene. Typische Toleranzen liegen im Bereich von ca. 100 µm. bis 400 µm.

Aus DE 100 22 341 A1 ist ein Leistungsmodul bekannt, bei dem die Halbleiterelemente zwischen zwei leitende Schienen über eine Druckkontaktierung eingespannt sind. Hierbei kann eine der Schienen in ihrem mittleren Bereich verjüngt sein, wodurch sich geringe Dickenunterschiede der Halbleiterelemente problemlos ausgleichen lassen. Allerdings ist die Fähigkeit zum Toleranzausgleich aufgrund der geringen Breite der Verjüngung nur gering, so dass hohe Forderungen an die Maßgenauigkeit der Schienen und der Halbleiterelemente zu stellen sind, was entsprechend hohe Kosten nach sich zieht.

Weiter ist in dieser Offenlegungsschrift ein elektronisches Leistungsmodul beschrieben, bei dem zwei einzelne Thyristoren antiparallel geschaltet und zwischen zwei symmetrische Kühlkörper gepresst sind. Einer der beiden Kühlkörper ist mittig geteilt, wodurch eine flächige Pressung der Thyristor-Scheibenzellen, auch bei unterschiedlicher Scheibenzellenhöhe ermöglicht wird. Die beiden Kühlkörper dieses bekannten Leistungsteils, das sowohl für Kurzzeitbelastung als auch für Dauerbetrieb ausgelegt ist, sind Teil des Stromkreises und damit potentialbehaftet. Die notwendige elektrische Verbindung zwischen den Kühlkörperhälften des mittig geteilten Kühlkörpers wird mit einem V-förmigen Kupferbügel hergestellt, der mit den beiden Kühlkörperhälften verschraubt wird. Der Kupferbügel ist aus weichem Elektrolytkupfer. Mit dieser Konstruktion ist ein guter Toleranzausgleich möglich. Nachteilig sind der vergleichsweise hohe konstruktive und fertigungstechnische Aufwand sowie der erforderliche Platzbedarf für die Verschraubung des Kupferbügels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Leistungsmodul anzugeben, das den notwendigen Toleranzausgleich und damit die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen Druckverteilung der Schienen auf die Halbleiterelemente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Leistungsmodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zumindest eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich gegenüberliegenden Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene zwischen den Aussparungen einen Steg bildet.

Durch die mittels des Steges erhaltene Flexibilität können auch größere Toleranzen (im typischen Bereich von 100 µm bis 400 µm) problemlos ausgeglichen und damit eine homogene Druckverteilung an den Auflageflächen der Schienen auf die Halbleiterelemente erzielt werden. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Leistungshalbleiterbauteile und Schienen sind daher gering, so dass kostengünstige Bauelemente und einfache Fertigungsverfahren möglich sind. Dabei sind die länglichen Aussparungen fertigungstechnisch einfach herstellbar durch z.B. Sägen. Dies kann beispielsweise im gleichen Arbeitsschritt wie das Ablängen auf Nennmaß erfolgen. Es ist kein zusätzlicher Platzbedarf für die Aussparungen und den Steg nötig. Damit ist diese Lösung auch in hochkompakten Leistungsteilen bzw. -modulen einsetzbar. Es sind keine zusätzlichen Teile wie Kupferbügel und Schrauben notwendig. Zusätzliche Arbeitsschritte wie Gewindeschneiden in Schiene/Kühlkörper, Verschrauben des Kupferbügels und Fetten der Kontaktflächen Kupferbügel/Schiene entfallen. Durch die Einsparung von Material und Fertigungsschritten ergibt sich gegenüber herkömmlichen Lösungen ein deutlicher Kostenvorteil.

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung weist die zumindest eine Schiene zumindest eine weitere Aussparung in der Art der ersten Aussparungen auf, die neben den ersten Aussparungen angeordnet ist und von der Seite ausgeht, die der Seite gegenüberliegt, von der die neben ihr liegende Aussparung ausgeht. Hierdurch wird eine Verlängerung der Steglänge erzielt, wodurch die Flexibilität noch weiter erhöht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Aussparungen eine Breite von ungefähr 3 mm auf. Diese Breite entspricht einer typischen Sägeblattdicke, so dass die Aussparungen fertigungstechnisch auf einfache Weise hergestellt werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zumindest eine Schiene im Bereich des Stegs mit einer im Vergleich zur restlichen Schiene reduzierten Dicke ausgeführt. Hierdurch wird die Flexibilität weiter erhöht. Da in der Regel auch Fräsarbeiten an den Schienen notwendig sind, kann eine Reduzierung der Stegdicke im Zuge dieser Arbeitsschritte erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine Schiene mit zumindest einem Kühlkörper mechanisch verbunden. Hierdurch wird die Kühlleistung, d.h. die Abfuhr der Verlustleistungswärme, verbessert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine Schiene als Kühlkörper ausgebildet. Durch die Einsparung des Wärmeübergangs von Schiene zu Kühlkörper wird somit die Kühlleistung weiter verbessert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halbleiterelemente als Halbleiterzellen ausgeführt sind, z.B. als Siliziumzellen.

Bestehen die beiden Schienen aus einem Material mit einer Wärmekapazität größer als 1,8 Ws/K/cm3, wie z.B. Aluminium, so lässt sich hiermit eine entsprechend gute Wärmeabführung erreichen.

Hinsichtlich Strom- und Wärmeführung ist es allerdings besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine Schiene aus Kupfer besteht. Vorteilhafterweise besteht dabei eine Schiene aus hartem Kupfer. Diese Kupferschiene ist dann als Bestandteil einer Druckvorrichtung zur oben genannten Druckkontaktierung verwendbar. Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn ein Kühlkörper mit der harten Kupferschiene verbunden ist, da sich hierbei eine Grenzfläche mit niedrigem Wärmeübergangswiderstand erreichen lässt. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Schiene mit den Aussparungen aus Elektrolytkupfer besteht, das vergleichsweise weich und verformbar ist.

Schließlich können Schienen und Halbleiterelemente vorteilhafterweise zu einer Einheit miteinander vergossen sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen in einer Schiene,

2 eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 1,

3 eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen und einer reduzierten Stegdicke,

4 eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 3,

5 eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit drei Aussparungen in einer Schiene,

6 eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen in einer Schiene mit Kühlkörpern,

7 eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 6,

8 eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen in einem Kühlkörper,

9 eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 8.

1 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektronischen Leistungsmoduls mit zwei parallel angeordneten Kupferschienen 1, zwischen die zwei Siliziumzellen 4 als Halbleiterelemente eingebracht sind. Die Siliziumzellen 4 sind als Thyristoren ausgeführt und um 180° gedreht angeordnet, so dass sich eine elektrisch antiparallele Verschaltung ergibt. Anstelle von Thyristoren können beliebig andere Halbleiterbauelemente mit vergleichbarer Funktion eingebracht sein. Die Kupferschienen 1 erfüllen die Aufgabe, die während der hohen Kurzzeitbelastung auftretenden Wärmeverluste möglichst schnell von den Siliziumzellen 4 wegzuführen und zu speichern. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei Schienen 1 und Leistungshalbleiterelementen 4 ist die obere Schiene 1 mit zwei Aussparungen 2 versehen worden, um die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen Druckverteilung zwischen Leistungshalbleiter 4 und Schienen 1 zu erreichen. Durch die Aussparungen 2 entsteht ein Steg 3, der die entsprechende Flexibilität aufweist, um die auftretenden Toleranzen ausgleichen zu können. Die Aussparungen 2 haben dabei eine typische Breite von ca. 3 mm (Sägeblattdicke). Der Steg 3 kann beispielsweise eine Länge von ca. 50 mm und eine Breite von ca. 20 mm aufweisen. Die Darstellung in den Figuren erfolgt nicht maßstabsgetreu.

2 zeigt eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 1 entlang der in 1 mit II bezeichneten Schnittkante. In dieser Seitenansicht sind die in 1 verborgene untere Schiene 1 und die Leistungshalbleiter 4 zu erkennen. Die untere Schiene 1 besteht vorteilhaft aus hartem Kupfer, die obere Schiene 1 aus weichem Elektrolytkupfer. In die untere Kupferschiene 1 können z.B. Gewinde zur Montage einer Druckvorrichtung für die Druckkontaktierung eingebracht sein. Durch die Wahl des härteren Kupfers wird ein Durchbiegen der unteren Kupferschiene 1 in Folge der durch die Druckvorrichtung wirkenden Kräfte weitestgehend verhindert und ein flächiges Aufliegen der Siliziumzellen 4 gewährleistet. Außerdem wird ein Ausreißen oder Weglaufen der Gewinde verhindert. Die obere Kupferschiene 1 weist die Aussparungen 2 und den resultierenden flexiblen Steg 3 für den Toleranzausgleich auf. Dieser Effekt wird außerdem durch die Verwendung von weichem Elektrolytkupfer für die obere Kupferschiene 1 unterstützt. Diese Maßnahme gewährleistet einen ganzflächigen Druckkontakt zwischen den Siliziumzellen 4 und den Kupferschienen 1 und hat einen geringen elektrischen und thermischen Übergangswiderstand an den Auflageflächen zur Folge. Die Druckkontaktierung stellt eine hohe thermische Zyklenfestigkeit und damit Lebensdauer des Leistungsmoduls sicher, was wegen des ausschließlichen Betriebs mit Kurzzeitbelastung notwendig ist.

3 zeigt ein Leistungsmodul ähnlich wie in 1, wobei hier der Steg 3 zur Erhöhung der Flexibilität mit einer reduzierten Dicke ausgeführt ist (angedeutet durch den schraffierten Bereich). Mit den in 1 angegebenen Maßen und einer verbleibenden Stegdicke von ca. 7 mm können die linke und rechte Seite der Schiene 1 bei einem typischen Aufbau bereits mit einer Kraft zwischen ca. 100 N und 200 N sichtbar gegeneinander bewegt werden. Diese Kräfte sind gegenüber den typischen Presskräften von 15 kN bis 30 kN vernachlässigbar klein, so dass der Steg 3 die für den erforderlichen Toleranzausgleich notwendigen Bewegungen in allen Richtungen problemlos ermöglicht und damit eine homogene Druckverteilung sichergestellt ist. Die zusätzlichen durch den Steg 3 verursachten Stromwärmeverluste liegen in diesem Beispiel bei ca. 2% der Leistungshalbleiter-Verlustleistung bei einem Strom von ca. 4300 A und sind damit so gut wie vernachlässigbar.

4 zeigt eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 3 entlang der in 3 mit IV bezeichneten Schnittkante. In dieser Seitenansicht sind wieder die in 3 verborgene untere Schiene 1 und die Leistungshalbleiter 4 zu erkennen.

5 zeigt eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit drei Aussparungen 2 in der oberen Schiene 1. Durch die gegenläufige Anordnung benachbarter Aussparungen 2 (d.h. benachbarte Aussparungen 2 gehen von gegenüberliegenden Seiten der Schiene 1 aus und erstrecken sich zur jeweils anderen Seite) wird eine deutliche Verlängerung der Steglänge erzielt, wodurch sich die Flexibilität des Steges 3 ebenso erhöht.

6 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen 2 in der oberen Kupferschiene 1 ähnlich wie bei dem in den 1 und 2 gezeigten Leistungsmodul. Zusätzlich sind hier neben den Aussparungen 2 zur Vergrößerung der Kühlleistung zwei Kühlkörper 5 auf der oberen Schiene 1und – in dieser Darstellung nicht zu sehen – ein Kühlkörper 5 auf die untere Schiene 1 aufgeschraubt.

7 zeigt eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 6 entlang der in 6 mit VII bezeichneten Schnittkante. In dieser Seitenansicht ist insbesondere der auf die untere Schiene 1 aufgeschraubte Kühlkörper 5 zu erkennen.

8 zeigt ein Leistungsmodul, bei dem die Schienen 1 als Kühlkörper 5 ausgeführt sind. Bei dieser Ausführungsform sind also direkt im Kühlkörper 5 die Aussparungen 2 vorgesehen, durch die der Steg 3 entsteht, der die entsprechende Flexibilität aufweist, um die auftretenden Toleranzen ausgleichen zu können.

9 zeigt eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 8 entlang der in 8 mit IX bezeichneten Schnittkante. In dieser Seitenansicht ist insbesondere zu erkennen, dass in dieser Ausführungsform die Halbleiterelemente 4 direkt zwischen die Kühlkörper 5 über eine Druckkontaktierung eingespannt sind.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein elektronisches Leistungsmodul mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens zwei leitenden Schienen, zwischen die die Halbleiterelemente über eine Druckkontaktierung eingespannt sind. Um den notwendigen Toleranzausgleich und damit die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen Druckverteilung der Schienen auf die Halbleiterelemente ermöglicht wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich gegenüberliegenden Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene zwischen den Aussparungen einen Steg bildet. Durch die mittels des Steges erhaltene Flexibilität können auch größere Toleranzen (im typischen Bereich von 100 µm bis 400 µm) problemlos ausgeglichen werden. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Leistungshalbleiterbauteile und Schienen sind daher gering, so dass kostengünstige Bauelemente und einfache Fertigungsverfahren möglich sind.


Anspruch[de]
Elektronisches Leistungsmodul mit zwei elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen (4) und mit mindestens zwei leitenden Schienen (1), zwischen die die Halbleiterelemente (4) über eine Druckkontaktierung eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schiene (1) in einem mittleren Bereich, der zwischen den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen (4) liegt, zwei erste Aussparungen (2) aufweist, die ausgehend von sich gegenüberliegenden Seiten der Schiene (1) sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen (2) derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene (1) zwischen den Aussparungen (2) einen Steg (3) bildet. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Schiene (1) zumindest eine weitere Aussparung (2) in der Art der ersten Aussparungen (2) aufweist, die neben den ersten Aussparungen (2) angeordnet ist und von der Seite ausgeht, die der Seite gegenüberliegt, von der die neben ihr liegende Aussparung (2) ausgeht. Elektronisches Leistungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aussparungen (2) eine Breite von ungefähr 3 mm aufweisen. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Schiene (1) im Bereich des Stegs (3) mit einer im Vergleich zur restlichen Schiene (1) reduzierten Dicke ausgeführt ist. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Schiene (1) mit zumindest einem Kühlkörper (5) mechanisch verbunden ist. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Schiene (1) als Kühlkörper (5) ausgebildet ist. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterelemente (4) als Halbleiterzellen ausgeführt sind. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Schiene (1) aus einem Material mit einer Wärmekapazität größer 1,8 Ws/K/cm3 besteht. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Schiene (1) aus Kupfer besteht. Elektronisches Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schienen (1) und die Halbleiterelemente (4) zu einer-Einheit miteinander vergossen sind.






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