Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils, mit einem Hochvoltbauteil, das auf einem Schaltungsträger angeordnet ist, und an einen Kühlkörper angekoppelt ist, wobei zwischen dem Hochvoltbauteil und dem Kühlkörper eine Isolationsschicht und eine wärmeleitende Paste angeordnet ist.

Aufgrund höherer Taktfrequenzen und kompakterer Bauformen steigen in der Leistungselektronik die Leistungsdichten und damit die Verlustleistungen, die aus den einzelnen Bauteilen abgeführt werden müssen.

Eine konventionelle Kühlmethode von Halbleiterbauteilen, die als Surface- Mounted Devices (SMD) ausgebildet sind, also von Bauteilen, welche über die Oberfläche montiert werden, wird über die Lötfläche realisiert. Damit kühlen diese Bauteile durch das Trägersubstrat, also durch die Leiterplatte. Gerade bei höheren Verlustleistungen ist das allerdings nicht immer ausreichend, da, je nach Trägersubstrat, der thermische Widerstand zu groß werden kann. In diesem Fall wird die entstehende Wärmeenergie nicht ausreichend abgeführt und es kommt zu einer Lebensdauerreduktion der Halbleiterbauelemente. Des Weiteren nutzten diese Bauteile die unter ihnen liegende Fläche für thermische Durchkontaktierungen (engl. VIAs) oder andere thermische Elemente, was die elektrische Verdrahtungsfläche reduziert.

Daher gibt es bei den Chipherstellern Bestrebungen, Bauteile anzubieten, die ihre Verlustwärme nicht über die Lötfläche nach unten in die Leiterplatte abgeben, sondern die an der Oberseite eine Metallfläche bereitstellen, über die die Wärme abgeführt werden kann. Dadurch kann die unter dem Bauteil liegende Fläche für weitere Verdrahtungsebenen genutzt werden. Insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen bietet dies Vorteile bei der

Reduktion von Leiterbahnlängen und deren induktiven Einfluss. Ein weiterer Vorteil ist der kurze Weg zu einem gegebenenfalls vorhandenen Kühlkanal, beispielsweise wenn die Bauteile auf der Unterseite der Leiterplatte in Richtung Kühlkörper angebunden sind.

Bei Hochspannung führenden Geräte kann an diesen Kühlflächen ein hohes elektrisches Potential aus der Schaltung anliegen. Hier muss, je nach Bauteil, eine Isolation für bis zu mehreren Kilovolt gewährleistet sein, um Kurzschlüsse, beispielsweise zum Kühlkanal zu vermeiden.

Zur Isolation eignen sich dicke Gappads, die aufgrund ihrer reproduzierbaren Durchschlagsfestigkeit als Isolator verwendet werden können. Als Isolator eigenen sich alternativ auch dünne Gappads, Keramikplättchen oder Isolationsfolien mit definierter Durchschlagspannung. Zum Toleranzausgleich kann ein thermisch leitendes Gapfillermaterial verwendet werden.

In den meisten Montagevorschlägen, die auf eine Ausführung mit Gapfillermaterial und einer Isolationsfolie abzielen, wird von einer selbstklebenden Isolationsfolie ausgegangen, die entweder auf den Kühlkörper oder auf das Bauteil aufgeklebt wird.

Es kann so vorgesehen werden, eine selbstklebende Isolationsfolie auf den Kühlkörper aufzubringen, dann Gapfillermaterial aufzutragen und anschließend die Leiterplatte mit den, auf der Unterseite angelöteten, oberflächig gekühlten Halbleiterbauelementen einzudrücken und zu fixieren.

Diese Lösung ist in einem Serienprozess abbildbar. Allerdings sind die Klebstoffe, die auf dem Isolationsfilm vorab aufgebracht werden hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und der Fähigkeit, Unebenheiten zu füllen, limitiert. Reicht der sich ergebende Wärmewiderstand Rth nicht aus, so muss ein teureres Gapfillermaterial mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.

Aufgeklebte Isolationsfolien werden in der Regel sehr dünn produziert (minimale Stärken von 25 gm bei mehr als 5 kV Isolationsspannung sind gängig), da sie eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit von in der Regel unter 0,5 W/(m ^* K) aufweisen und bei höheren Schichtdicken ein erheblicher thermischer Widerstand entsteht.

Ein wesentliches Problem besteht darin, dass diese dünnen Folien eine Isolationsfestigkeit von mehreren Kilovolt über ihre Lebenszeit realisieren müssen. Werden sie aber beispielsweise durch metallische Schmutzpartikel durchstochen, ist die Isolationsfestigkeit nicht mehr gegeben.

In derzeit gängigen Aufbauten wird also meist eine Isolationsfolie mit einer Schicht Gapfillermaterial kombiniert, die die Toleranzen ausgleicht. Diese Aufbauart kann die empfindliche Isolationsschicht allerdings nicht zuverlässig vor Beschädigungen schützen, denn diese Folienschicht wird durch minimale Verschmutzungen (25 gm = 1/40 mm!), durch thermische Ausdehnungen und durch Maximaltoleranzen einem erhöhten Stress ausgesetzt. Diese Effekte können zu elektrischen Durchbrüchen in der Isolationsfolie führen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Anordnung zur Kühlung eines Flochvoltbauteils zu schaffen, welches bei hoher Kühlleistung deutlich weniger empfindlich gegenüber Beschädigungen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Isolationsschicht beidseitig mit einem Gapfillermaterial belegt ist. Es wird somit vorgeschlagen die empfindliche Isolationsschicht beidseitig in Gapfillermaterial zu betten, um diese durch zwei Pufferschichten vor Beschädigungen zu schützen.

Besonders vorteilhaft kann die Isolationsschicht durch eine Isolationsfolie ausgebildet sein. Der erfinderische Ansatz hierbei ist, die Isolationsfolie zwischen zwei Lagen Gapfillermaterial zu platzieren, so dass sie in beide Richtungen weggedrückt werden kann, wenn der Druck zu groß wird.

Auf diese Weise wird ein sehr viel robusterer Aufbau erreicht als durch die derzeit häufig praktizierte Variante mit einer selbstklebenden Isolationsfolie.

Speziell wird vorgeschlagen, jeweils den zweifachen Wert der maximalen Partikelgröße eines Gapfillermaterials als Minimalspalt vorzusehen, um ausreichend Puffer bereit zu stellen und die Kräfte auf das Bauteil gering zu halten und das Gapfillermaterial über eine Dispensiernadel an verschiedenen Stellen als sogenannte Klebedots aufzubringen.

In einem weiteren Schritt kann dann die minimale Gapfillermaterialschicht nach oben beschriebener Relation eingestellt werden und die dünne Isolationsfolie flächig durch eine Druckplatte angepresst werden. Das Gapfillermaterial hat so noch die Möglichkeit weiter nachzugeben und die Isolationsfolie kann nicht mehr durchstochen werden.

Da das Gapfillermaterial derart ausgelegt ist, dass es eine Form hält, in die es gebracht wurde und zusätzlich auch adhäsive Eigenschaften mitbringt, ist die Folie nach diesem Arbeitsschritt durch das Gapfillermaterial an das Gehäuse angeklebt.

In einem weiteren Schritt werden dann erneut Gapfillerdots aufgebracht, in die die Bauteile bei der Montage der Leiterplatte eintauchen. Überflüssiges Material wird an den Rand verdrängt und das Gapfillermaterial vernetzt in genau der richtigen Spalthöhe für das jeweilige Bauteil und dessen Toleranzen.

In durchgeführten Tests hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass der Wärmewiderstand Rth dabei um etwa 15 % geringer ist, als wenn eine Isolationsfolie aufgelegt oder als selbstklebende Variante aufgeklebt ist.

Diese Verbesserung wird auf zwei Effekte zurückgeführt. Zum einen bindet das Gapfillermaterial besser an die Kontaktflächen an. Auch wenn diese sehr glatt sind, kann das Gapfillermaterial noch besser in Unebenheiten fließen und so eine größere Fläche benetzen, was zu einem effektiveren Wärmetransport führt.

Hinzu kommt, dass während der Klebstoff der selbstklebenden Folien wahrscheinlich vorwiegend hinsichtlich guter Klebeeigenschaften ausgelegt ist, das Gapfillermaterial hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit optimiert ist und so über einen deutlich besseren thermischen Widerstand Rth verfügt. Die vorgeschlagene Aufbauart bietet damit sowohl den Vorteil, die Isolationsfolie zu schützen als auch eine kosteneffektive Möglichkeit, die thermische Leitfähigkeit der Anbindung zu verbessern.

Die Art des Aufbaus beschränkt sich natürlich nicht nur auf eine Isolationsfolie als Isolator sondern kann auch für die thermische Anbindung von Keramikplättchen verwendet werden. Hier wird der Aufbau dann auf gleiche Weise durchgeführt, mit dem Unterschied, dass anstelle der Isolationsfolie ein bzw. mehrere Keramikplättchen in eine erste Schicht Gapfillermaterial gedrückt werden, worauf dann in einem weiteren Schritt eine weitere Schicht Gapfillermaterial appliziert wird. Diese Aufbauart hat den Vorteil, dass das Isolationsmaterial zum einen deutlich besser die Wärme leitet und zum anderen, dass die Wärme durch das relativ gutleitende Keramikplättchen auch auf einer größeren Fläche in den Kühlkörper abgegeben wird. Hierdurch wird den thermischen Widerstand durch Wärmespreizung verringert. Hierbei entscheidet die Anwendung, welche Aufbauart mit welchem thermischen Widerstand erforderlich ist und letztendlich auch die erlaubten Kosten. Denn Keramikplättchen sind gute aber auch relativ teure Isolatoren.

Nachfolgend sollen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen

Figuren 1 bis 5 Montageschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen

Anordnung,

Figur 6 eine fertig montierte Anordnung, Figur 7 ein geschnitten dargestelltes Hochvoltbauteil.

Zur Erläuterung des Aufbaus einer Anordnung zur Kühlung eines Hochvoltbauteils werden in den Figuren 1 bis 5 jeweils verschiedene Herstellungsphasen der Anordnung schematisch dargestellt.

Die Herstellung der Anordnung beginnt gemäß der Figur 1 mit einem Kühlkörper 1.1 , auf den etwa mittig eine Portion eines Gapfillermaterials 1.2 aufgetragen und mit einer Isolationsfolie 1.3. abgedeckt wird.

Mittels einer in der Figur 2 dargestellten Druckplatte 2.9 wird die Isolationsfolie 2.3 parallel in Richtung des Kühlkörpers 2.1 gepresst, wodurch das zwischen Isolationsfolie 2.3 und Kühlkörper 2.1 befindliche Gapfillermaterial 2.2 zu einer gleichmäßigen Schicht in einer gewünschten Schichtdicke verteilt wird. Nachdem dieses geschehen ist, wird die Druckplatte 2.9 wieder abgehoben und entfernt. Im nächsten Herstellungsschritt, dargestellt in der Figur 3, wird eine weitere Portion des Gapfillermaterials 3.4 auf die außenliegende Seite der Isolationsfolie 3.3 gesetzt. In das Gapfillermaterial 3.4 wird die freie Seite eines Hochvoltbauteils 3.5 gedrückt. Das Hochvoltbauteil 3.5 ist hier ein gehaustes SMD-Bauteil, dessen Anschlüsse 3.6 mittels Lötstellen 3.7 elektrisch und mechanisch mit einem Schaltungsträger 3.8 verbunden sind.

Der Schaltungsträger 3.8, 4.8, der etwa als Leiterplatte ausgeführt sein kann, bildet dadurch eine Außenseite der Anordnung, die in der Figur 4 skizziert ist. Erkennbar ist, dass das Hochvoltbauteil 4.5 in das Material des Gapfillermaterials 4.4 hineingedrückt ist, welches zwischen Isolationsfolie 4.3 und Hochvoltbauteil 4.5 eine vorgegebene Schichtdicke ausbildet. Überschüssiges Gapfillermaterial 4.4 ist seitlich aus dem Zwischenraum zwischen Hochvoltbauteil 4.5 und Isolationsfolie 4.3 verdrängt und liegt als Wulst an dem Hochvoltbauteil 4.5 an.

Der Schaltungsträger 5.8 und der Kühlkörper 5.1 werden, wie in der Figur 5 angedeutet, abschließend aneinander fixiert. Dazu weist der Kühlkörper 5.1 mehrere Anschraubdome 5.10 zum Einstellen des Abstandes und zum Fixieren des Schaltungsträgers 5.8 auf.

Die fertiggestellte Anordnung ist ausschnittsweise in der Figur 6 dargestellt. Ersichtlich ist ein Schichtaufbau, bestehend aus den aufeinander folgenden Schichten von Kühlkörper 6.1 , einer ersten Schicht Gapfillermaterial 6.2, einer Isolationsfolie 6.3, einer zweiten Schicht Gapfillermaterial 6.4 und dem Hochvoltbauteil 6.5, welches mit der darüber angeordneten Leiterplatte 6.8 verbunden ist.

Die Figur 7 skizziert in einer geschnittenen Ansicht den Aufbau eines Hochvoltbauteils 7.5, welches beispielhaft einen Halbleiterschalter ausbildet. Das Hochvoltbauteil 7.5 weist einen Halbleiterchip 7.11 auf, der von einem Kunststoffspritzgusskörper 7.13 umgeben ist. Mit dem Halbleiterchip 7.11 verbunden sind mehrere Anschlüsse 7.6, die aus dem Kunststoffspritzgusskörper 7.13 herausgeführt sind. In Kontakt mit dem Halbleiterchip 7.11 steht eine metallische Kühlfläche 7.12, welche zugleich ein Teilstück einer Außenfläche des Kunststoffspritzgusskörpers 7.13 bildet.

Bei der vollständig montierten Anordnung liegt die metallische Kühlfläche 7.12 an der zweiten Schicht des Gapfillermaterials 7.4 an und ist über die Isolationsfolie 7.3 und der ersten Schicht des Gapfillermaterials 7.2 mit dem Kühlkörper 7.1 verbunden.

Bezugszeichen

1.1 , 2.1 , 3.1 , 5.1 , 6.1 , 7.1 Kühlkörper 1.2, 2.2, 3.2, 6.2, 7.2 Gapfillermaterial (erste Schicht) 1.3, 2.3, 3.3, 4.3, 6.3, 7.3 Isolationsfolie (Isolationsschicht)

3.4, 4.4, 6.4, 7.4 Gapfillermaterial (zweite Schicht)

3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5 Hochvoltbauteil

3.6, 7.6 Anschlüsse (des Hochvoltbauteils) 3.7 Lötstelle 3.8, 4.8, 5.8, 6.8 Schaltungsträger (Leiterplatte)

2.9 Druckplatte

5.10 Anschraubdome

7.11 Halbleiterchip

7.12 Kühlfläche des Hochvoltbauteils 7.13 Kunststoffspritzgusskörper