CH621435A5

CH621435A5 - Semiconductor module

Info

Publication number: CH621435A5
Application number: CH1036777A
Authority: CH
Inventors: Winfried Schierz
Original assignee: Semikron Gleichrichterbau
Priority date: 1976-09-04
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1981-01-30
Also published as: JPS5332673A; DE2639979C3; AT377386B; FR2363893A1; DE2639979B2; DE2639979A1; ATA617777A; GB1584783A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbaueinheit mit den Merkmalen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Halbleiterbaueinheiten sind aus dem DT-GBM 75 12 573 bekannt. Sie zeigen einen kompakten Aufbau und ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Anordnung zu mehreren in gewünschter elektrischer Verschaltung, weisen jedoch auch einige Nachteile auf. So erfordert die Halterung der Isolierstoffscheibe und der mit Halbleiterplättchen versehenen Kontaktbauteile zu ihrer jeweiligen Befestigung durch Löten einen unerwünschten Verfahrensaufwand. Weiter ist die zur festen flächenhaften Auflage auf einem Kühlbauteil vorgesehene, metallische Grundplatte nicht in gewünschtem Masse plan, weil bereits bei ihrer Herstellung unvermeidliche mechanische Spannungen auftreten, die aus unterschiedlicher Wärmedehnung aneinandergrenzender Materialien resultieren. Dadurch ist der Wärmeübergang zum Kühlbauteil beeinträchtigt.

Schliesslich ergeben sich infolge der Wölbung der als Gehäuseteil dienenden Grundplatte beim Verbinden derselben mit dem Gehäuseoberteil durch Kleben unterschiedlich dicke Klebeschichten, wodurch beim Füllen des Gehäuses mit Isoliermasse und beim Aushärten derselben an der Klebefuge unerwünschte Spannungen entstehen, die zu einer weiteren Wölbung der Grundplatte führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbaueinheit der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Bauteile einen gegenüber der bekannten Anordnung rationelleren Zusammenbau ermöglichen, und deren Gehäuse eine einwandfreie gegenseitige Verbindung seiner Teile aufweist sowie einwandfreie Ableitung der Verlustwärme auf ein Kühlbauteil gewährleistet.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In

Figur 1 ist eine Halbleiterbaueinheit im Schnitt dargestellt.

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Figur 2 zeigt in Draufsicht die erfindungsgemäss besonders ausgebildete Grundplatte der Baueinheit,

Figur 3 im Ausschnitt einen Aufbau zur lagebestimmten Anordnung von Isolierstoffscheibe und Kontaktbauteil auf der Grundplatte, und in

Figur 4 ist eine Halbleiteranordnung mit Baueinheiten gemäss der Erfindung in Drehstrombrückenschaltung auf einem Kühlbauteil dargestellt.

Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Die Bauform I nach Figur 1 ist auf einer wannenförmigen Grundplatte 1 aus einem zur Wärmeleitung besonders geeigneten Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, oder aus einer Verbindung dieser Metalle oder aus einer Legierung aus diesen Metallen aufgebaut. Die Kontaktbauteile 3 und 13 als Trägerkörper je eines Halbleiterbauelements sind in gegenseitigem Abstand über eine gemeinsame, elektrisch isolierende, thermisch leitende Schicht 2, beispielsweise aus Oxidkeramik, auf der inneren Bodenfläche der Grundplatte 1 durch Löten fest aufgebracht. Es kann auch für jedes Kontaktbauteil eine derartige Schicht vorgesehen sein. Zur rationellen, lagebestimmten Anordnung der Scheibe aus Oxidkeramik 2 auf einem vorbestimmten Flächenabschnitt ist die Bodenfläche der Grundplatte mit Erhebungen 111 versehen, zwischen welchen die Scheibe 2 eingelegt ist. Grundplatte 1, Scheibe 2 und Kontaktbauteile 3,13 sind in dieser Reihenfolge gestapelt und gegenseitig durch Löten fest verbunden. Sie weisen zu diesem Zweck jeweils einen lötfähigen, metallischen Überzug auf.

Die Seitenwand la der Grundplatte 1 ist an ihrem oberen Rand durch Bördeln an der beispielsweise abgeschrägten oder in anderer Form ausgebildeten, zugeordneten Randzone des Isolierstoffgehäuseteils 12 fest angebracht. Dazu ist das als Hohlkörper ohne Boden- und Deckplatte vorliegende Gehäuseteil 12 in seiner maximalen Ausdehnung der lichten Weite an der inneren Bodenfläche der Grundplatte 1 entsprechend ange-passt ausgebildet, so dass es, beim Zusammenbau, durch Einstecken innerhalb der Seitenwand la gehaltert ist. Die untere Randzone 12a des Gehäuseteils 12 kann zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität bei der Herstellung der Bördelverbindung mit der Grundplatte 1 verstärkt oder beispielsweise als flanschförmiger Ansatz ausgebildet sein.

Die Erhebungen 111 auf der Bodenfläche der Grundplatte können jeweils soweit verlaufen, dass sie gleichzeitig auch, zusammen mit der Seitenwand la der Grundplatte, zur Halterung des Gehäuseteils 12 dienen und damit zur festen Anordnung des letzteren bei der Verbindung mit der Grundplatte beitragen.

Die Kontaktbauteile 3,13 können, gemäss der Darstellung in Figur 1, aus einem plattenförmigen Abschnitt zur Auflage auf der Oxidkeramikscheibe 2, aus einem dazu im Winkel, beispielsweise senkrecht zur Grundplatte, verlaufenden Abschnitt 3b bzw. 13b, jeweils an der Stirnseite der Baueinheit, und aus einem daran anschliessenden weiteren, zur Mitte der Baueinheit hin abgewinkelten Abschnitt 3c bzw. 13c als Plattform für je einen Kontaktbolzen 7 bestehen. Beide Kontaktbauteile 3,13 weisen mit ihren vorbeschriebenen Abschnitten L-förmigen Querschnitt auf. Die Abschnitte 3b, 13b und 3c, 13c dienen jeweils als Stromleiterteile für die der Grundplatte zugewandte Kontaktelektrode der Halbleiterplättchen 4 zum als Stromanschlussteil vorgesehenen Kontaktbolzen 7.

Die elektrische Reihenschaltung der beiden Halbleiterbauelemente ist dadurch hergestellt, dass das Kontaktbauteil 13 des zweiten Halbleiterbauelements 134-6 an seinem stegför-mig ausgebildeten und treppenförmig abgewinkelten, zum ersten Halbleiterbauelement 3-4-5 gerichteten Ansatz 13a mit dem oberen Stromleiter 5 des ersten Halbleiterbauelements fest verbunden ist.

Die Kontaktbolzen 7 sind jeweils mit einer Gewindeboh621 435

rung 27 zum Schraubanschluss von Stromleiterteilen versehen. Die Abschnitte 3c, 13c der Kontaktbauteile liegen zum Beispiel in der Ebene parallel zu derjenigen der Grundplatte 1 und bilden je eine Stützfläche für eine beide verbindende Anschlussplatte 8 aus Isoliermaterial. Diese weist Löt- und/oder Steckanschlussteile 31,33 auf, die zur Verbindung der Anschlussleitungen von Schalt- und Steuerbauteilen mit den Halbleiterbauelementen dienen, in ihrer Lage durch diejenige der Halbleiterbauelemente festgelegt sind und aus der fertigen Baueinheit entsprechend herausragen.

Schliesslich ist auf der Anschlussplatte 8 auch der Kontaktbolzen 9 mit dem Kontaktbügel 10 für den oberen Stromleiter 6 des zweiten Halbleiterbauelements 134-6 befestigt.

Die Kontaktbauteile und Anschlussteile können beliebige Form aufweisen und beliebig angeordnet sein, da ihre Ausbildung und Anordnung nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Der aufgezeigte Aufbau ist in dem aus Gehäuseteil 12 und Grundplatte 1 bestehenden, oben offenen Gebäuden untergebracht und in Giessmasse 22 soweit eingebettet, dass die Anschlussteile der Baueinheit herausragen.

In Figur 2 ist die erfindungsgemässe Grundplatte in Draufsicht auf die innere Bodenfläche dargestellt. Sie kann gemäss dem linken Teil der Figur streifenförmige Erhebungen 111 aufweisen, die jeweils parallel zur Längsachse angeordnet sind. Es können Erhebungen 111 a an den Längsseiten und solche ( 111 b) an den Schmalseiten vorgesehen sein. Sie dienen zur Verhinderung einer Seitenbewegung der Oxidkeramikscheibe 2 bei deren Lötkontaktierung mit der Grundplatte 1. An den Längsseiten der Grundplatte 1 sollen die Erhebungen geringstmögliche Breite aufweisen, die Breite der Erhebungen 11 lb ist unkritisch. Die Höhe der Erhebungen 111 ist gleich der oder kleiner als die Dicke der Keramikscheibe. Um bei unterschiedlichem Potential der Grundplatte 1 und der Kontaktbauteile 3, 13 eine ausreichende Überschlagsfestigkeit zwischen beiden Bauteilen zu gewährleisten, ragt die Oxidkeramikscheibe 2 an allen Seiten über die Kontaktbauteile 3,13 hinaus. Die Länge aller Erhebungen 111 ist unkritisch. Je eine Erhebung 11 la und 111b können auch zu einer Erhebung 11 lc kombiniert sein, wie dies ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist.

Anstelle der Erhebungen 111 können stift- oder höckerför-mige Ansätze 112 vorgesehen sein (rechte Hälfte der Figur), gegen welche sich Oxidkeramikscheibe 2 und Gehäuseteil 12 beim Einbringen abstützen.

Eine andere Ausführungsform der Grundplatte 1 besteht darin, dass der zur Auflage der Oxidkeramikscheibe 2 vorgesehene Flächenabschnitt 113 vertieft ausgebildet ist. Die dadurch erzielte Verringerung der Dicke der Grundplatte 1 ergibt eine zusätzliche Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen den Kontaktbauteilen 3,13 und dem an der äusseren Bodenfläche anliegenden Kühlbauteil.

Die Grundplatte 1 kann beispielsweise durch Kaltfliesspres-sen in der Weise hergestellt sein, dass die an die innere Bodenfläche angrenzende Schicht aus Kupfer besteht und damit eine vorteilhafte Verbindung mit der Oxidkeramikscheibe 2 ermöglicht, und dass die an die äussere Bodenfläche angrenzende Schicht aus Aluminium besteht, und damit eine vorteilhafte Verbindung mit einem angrenzenden Kühlbauteil aus Aluminium ermöglicht. Dabei ist die Dicke der Kupferteilschicht stets grösser als die Tiefe der Vertiefung 113 zur Aufnahme der Oxidkeramikscheibe 2, und die Aluminiumteilschicht ist in einer nur durch die mechanische Festigkeit der Grundplatte 1 bestimmten, minimalen Dicke ausgebildet.

Die Grundplatte kann auch aus einer an sich bekannten Aluminium-Magnesium-Legierung bestehen und ist dann auf ihrer inneren Bodenfläche mit einem Überzug aus Nickel zur Erzielung einer Lötverbindung mit der Oxidkeramikscheibe 2 versehen.

In Figur 3 ist im Ausschnitt eine weitere Ausführungsform

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des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Anstelle von Erhebungen weist die Grundplatte 1 Bohrungen 114 auf, durchgehend oder als Vertiefungen ausgebildet. Diese dienen zur Aufnahme von bolzenförmigen Begrenzungteilen 115, die aus elastischem Kunststoff bestehen und mit Haftsitz in den Bohrungen 114 angebracht sind. Die Begrenzungsteile 115 sind so bemessen, dass sie mit einem ersten herausragenden Längenabschnitt etwa entsprechend der Dicke der Oxidkeramikscheibe 2 diese haltern und mit einem anschliessenden Längenabschnitt mit grösserem Querschnitt das im Stapel folgende Kontaktbau- i teil justieren. Das Material der Begrenzungsteile 115 ist bei den angewandten Weichlöttemperaturen beständig und im übrigen von solcher Elastizität, dass Formänderungen beim Stapelaufbau der Bauteile unschädlich sind. Die Begrenzungsteile 115 können nach Herstellung der Lötverbindungen im Aufbau ver- : bleiben.

Mit Ausbildungen der Grundplatte 1 und mit einem Aufbau jeweils gemäss der Erfindung ist eine besonders einfache Herstellung und ein einwandfreier Zusammenbau einer Halbleiterbaueinheit mit optimalem Betriebsverhalten und für vielseitigen Einsatz gewährleistet.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Verwendung von Halbleiterbaueinheiten nach der Erfindung. Auf einem Kühlbauteil 20, vorzugsweise aus Strangpressmaterial und mit gewünschtem Profil, sind mithilfe von in der Auflagefläche für die Bauein- ; heiten angebrachten, schlitzförmigen Aussparungen 21 drei Baueinheiten gemäss der Erfindung befestigt. Zu diesem Zweck kann das Gehäuseteil 12 der Baueinheit an seinen Schmalseiten je eine Einbuchtung 12b senkrecht zur Grundplatte aufweisen, und in Fortsetzung derselben ist dann in der Grundplatte 1 je eine Durchbohrung zur Durchführung von Schrauben 23 angebracht. Die Baueinheiten können jedoch auch in der Weise ausgebildet sein, dass die Grundplatte 1 an ihren Stirnseiten über das Gehäuseteil 12 hinausragt und in dem freien Flächenabschnitt jeweils wenigstens eine Durchbohrung zur Befestigung aufweist. Weiterhin kann die Grundplatte an allen Seiten über das Gehäuseteil hinausragen und dadurch eine Rundum-Befestigung mittels Spannflansch ermöglichen.

Aufgrund der besonderen Anordnung der Stromleiter (17) der Halbleiterbauelemente jeder Baueinheit sind in überraschend einfacher Weise drei Baueinheiten, die insgesamt 6 Halbleiterbauelemente jeweils in Reihenschaltung aufweisen, lediglich durch die beiden Stromschienen 22 zu einer Dreh-strombrückenschaltung verbunden. Nachdem an jeder Baueinheit auch Anschlussmittel für Steuer- und Beschaltungsleitun-gen vorgesehen sind oder angebracht werden können (31,33), ist bei geeignetem Profil des Kühlbauteils auf einer weiteren Seite desselben beispielsweise auf wenigstens einer im Kühlmi-telstrom liegenden, mithilfe von Befestigungsnuten angebrachten Schaltungsplatte 25 aus Isoliermaterial auch die zusätzliche Anbringung von Schaltungsbauteilen (27) mit Steuer- und Beschaltungsfunktionen für die Halbleiterbaueinheiten sowie die Verbindung mit besonderen Steuersätzen in einfacher Weise möglich, beispielsweise über an sich bekannte Löt- und/ oder Steckanschlussteile 28.

Die Verwendung der erfindungsgemässen Halbleiterbaueinheit ist nicht auf die dargestellte Schaltung beschränkt. Die Halbleiterbaueinheiten können Halbleiterbauelemente mit zwei oder mehr Elektroden und mit beliebiger Struktur enthalten. Es können Baueinheiten in beliebiger Anzahl auf einem gemeinsamen Kühlbauteil verschaltet oder getrennt für Einzelschaltung angeordnet sein. Der Austausch einer Baueinheit ist in besonders einfacher Weise ohne Massnahmen an und mit anderen Baueinheiten möglich. Weiter sind beliebige Schaltungen mit einer oder mehreren Baueinheiten je Zweig in Reihe oder parallel auch mit Anordnung von Beschaltungsgliedern erzielbar.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Halbleiterbaueinheit, bei der zwei Halbleiterbauelemente auf einer gemeinsamen, metallischen Grundplatte elektrisch isoliert und thermisch leitend in elektrischer Reihenschaltung so angeordnet sind, dass je ein dem Eingang und dem Ausgang der Reihenschaltung zugeordneter sowie ein dritter, dem Verbindungsleiter zwischen den Halbleiterbauelementen zugeordneter Stromleitungsanschluss in einer Reihe und der dritte an einem Ende der Reihe angeordnet und jeder der beiden äusseren Stromleitungsanschlüsse zusammen mit dem zugeordneten Halbleiterbauelement jeweils auf einem gemeinsamen Kontaktbauteil fest aufgebracht und mit diesem über eine Isolierstoffscheibe auf der Grundplatte befestigt sind, und bei der die Halbleiterbauelemente mit ihren Kontakt- und Anschlussbauteilen in einem aus der Grundplatte und aus einem Kunststoffgehäuseteil bestehenden Gehäuse untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine wannenförmige, an ihrer äusseren Bodenfläche plane Grundplatte (1) vorgesehen ist, die an ihrer inneren Bodenfläche Ausbildungen (111,112,113,114) zur Anordnung und Halterung der Isolierstoffscheibe (2) und Kontaktbauteile (3,13) aufweist, dass die der Grundplatte (1) zugewandte Randzone (12a) des Gehäuseteils (12) eine zur Verbindung mit der Grundplatte durch Bördeln geeignete Ausbildung aufweist und die Seitenwand (1 a) der Grundplatte (1) durch Bördeln mit der Randzone (12a) fest verbunden ist, und dass die Grundplatte (1) aus einem Material besteht, das sowohl mit Bauteilen aus Kupfer, zum Aufbau der Baueinheit, als auch mit Bauteilen aus Leichtmetall eine dauerhaft feste Verbindung ermöglicht.

2. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte auf einer durch die Auflage der Isolierstoffscheibe (2) bestimmten Flächenumfangslinie ihrer inneren Bodenfläche Erhebungen (111,112) zur Halterung bei Herstellung der Lötverbindung der Isolierstoffscheibe (2) mit der Grundplatte aufweist.

3. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen streifenförmig (111) oder hök-kerförmig (112) ausgebildet sind und eine Höhe gleich der oder kleiner als diejenige der Isolierstoffscheibe (2) aufweisen.

4. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) auf ihrer inneren Bodenfläche eine derjenigen der Isolierstoffscheiben (2) entsprechende Anzahl von der Ausdehnung und Dicke der Isolierstoffscheiben angepassten Vertiefungen (113) zur Aufnahme je einer Isolierscheibe (2) aufweist.

5. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) auf einer durch die Auflage der Isolierstoffscheiben (2) bestimmten Flächenumfangslinie ihrer inneren Bodenfläche Vertiefungen (114) zur festen Anordnung von bolzenförmigen Begrenzungsteilen (115) für die lagebestimmte Anbringung von Bauteilen aufweist, dass die Begrenzungsteile (115) aus einem elastischen Kunststoff bestehen und im Verlauf ihrer über die Grundplatte herausragenden Längenabschnitte zuerst einen kleineren Querschnitt zur lagebestimmten Anordnung der Isolierstoffscheibe (2) und dann einen grösseren Querschnitt zur lagebestimmten Anordnung der geringere Flächenausdehnung aufweisenden Kontaktbauteile (3,13) auf der Isolierstoffscheibe (2) aufweisen.

6. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsteile (115) aus einem bei der vorgesehenen Temperatur zum Weichlöten von Grundplatte (1), Isolierstoffscheibe (2) und Kontaktbauteilen (3,13) beständigen Material bestehen.

7. Halbleiterbaueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1) aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung besteht und auf ihrer inneren Bodenfläche einen Überzug aus Nickel zur Erzielung einer Lötverbindung mit der metallisierten Isolierstoffscheibe (2) aufweist.

8. Halbleiterbaueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte auf ihrer zur Isolierstoffscheibe (2) gerichteten Seite aus Kupfer und auf der gegenüberliegenden Seite aus Aluminium besteht, dass die Dicke der Kupferteilschicht grösser ist als die Tiefe der Vertiefung (113) zur Aufnahme der Isolierstoffscheibe (2), und dass die Aluminiumteilschicht eine nur durch die mechanische Festigkeit der Grundplatte bestimmte, minimale Dicke aufweist.

9. Verwendung von Halbleiterbaueinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Halbleiterbaueinheiten mit ihrer Grundplatte (1) auf einem gemeinsamen Kühlbauteil (20) befestigt und zu mehreren aneinandergereiht befestigt und durch Stromschienen (24) elektrisch verbunden sind.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer weiteren Seite des Kühlbauteils (20) wenigstens eine Schaltungsplatte (25) aus Isoliermaterial vorgesehen und mit Hilfe von Befestigungsnuten am Kühlbauteil (20) befestigt ist, auf welcher Schaltungsbauteile (27) mit Steuer- und Beschaltungsfunktionen für die auf dem Kühlbauteil befestigten Halbleiterbaueinheiten sowie Löt- und/oder Steckanschlussteile (28) zur Herstellung von Schaltverbindungen zwischen Schaltungsbauteilen und Halbleiterbaueinheiten angebracht sind.