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Halbleiterbauelement mit-einem in einem Gehäuse eingeschlossenen
Halbleiterelement
y
Die Erfindung betrifft die Verbesserung des Aufbaues eines Halbtleiterbauelementes
mit einem im Gehäuse angeordneten Halbleiter-
element, vorzugsweise
für Halbleiterleistungsbauelementemit Strom-
stärken über 10 A, insbesondere
Gleichrichterdioden und Thyristoren. Bei der Konstruktion neuer Bauelemente ist
es allgemein Aufgabe, da-
hingehend zu wirken, daß eine hohe Funktionssicherheit
und eine ge-
ringe Auzschußquote bei Anwendung einfacher Herstellungsverfahren
gewährleistet ist. Diese Forderungen werden im wesentlichen durch
das jeweils in Anwendung gebrachte Kontaktierveriahren,
die Ver- -schlußtechnik und die Anordnung der Elektroden
beeinflußt.
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Bei den 4ntakterverfahren treten neben den verschiedenen
Hart-'
und Weichlötungen die Druckkontakt-Konstruktionen
immer mehr in
den Vordergrund. Die Ursache hierfür liegt darin,
claß beim Druck-
kontaktieren keine unerwünschten mechanischen Spannungen
auftreten
können, wie das bekanriterweise bei allen Lötverfahren, hervorge-
rufen
durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
der Fall ist.
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Nachteilig ist ferner, daß
Lötprozesse, insbesondere
die Hartlötung,
mit zusätzlichen Temperprozessen
für das Halbleiterelement
verbunden
sind, die sich: im allgemeinen schädlich auf die elektri-
schen Eigenschaften
des Halbleiterbauelementes auswirken
und die
Herstellungskosten
erhöhen. Wesentlich
günstiger liegen die Verhältnisse
bei der
Druckkontaktierung.
Prinzipiell werden hierbei
die stromzuführenden Bauteile
mit Hilfe.
von Federn an die Elektrodenflächen
des Halbleiterelementes
gedrückt
und dadurch reit diesen
| kontaktiert. Vsitere Vorteile dienen Verfahrens bestehen
daria,» |
| daß die Oberflächealaarbeituag des pno-#Überganges
vor der tontabm |
| tierurig an Halbleiterelement vorgenommen werden
kann und äaß ther- |
| mische @r#üdungserschelauagen sowie Zerstörungen infolge
mechani- |
| scher Spannungen ausgeschlossen sind. |
Diese zweifellos vorteilhaften Wirkungen der Druekkontaktierung werden jedoch
zum
teil durch die bekannten Versahlußverfahren wieder
aufgehoben,
Worden z.B.
die stromzuführenden Gehäuseteile um
das Halbleiterelement
herum zu einer
dichten Kapsel verschlossen,
so sind insbesondere
bei Bauelementen hoher Leistung
diese Gehäu-
seteile miteinander
verschweißt,
verlötet oder verprellt. Ähnlich wie
bei den Kontaktierverfahren
beeinträchtigen auch diese Ver_ schlu3verfahren durch die dabei
auftretende Y'airmebildung
das Bau-
element ungünstig. So
werden neben den bereits dargelegten Nachteilen
der möchanischen
Verspannung u.a.
auch durch die Schweiß», Lot-
bzw. Fluflmitteldämpfe
die Eigenschaften des
Halbleiterelements
negativ beeinflußt.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser 4nstruktianen besteht
darin, daß einmal montierte Bauteile nach einem Ausfall des Halbleiterelementes
oder wegen @ndict@gk®it au der Verschlußstelle nicht wieder
ver-
wendbar sind.
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Bei der Anwendung der Druckkontaktiarung in Verbindung
mit einem
dieser Versohlußverfahren besteht ferner das
Problem, das gesaats Druckerseugungssystem,wio Federelement und Widerlager
innerhalb des Gehäuses mit unterzubringen. Hieraus crGoben
sich relativ große Gehäuseabmessun-en und sehwe&- bahdrrsehbare
Toleranzen für die Gebäuseeinzslteile, so daß bereits bei der
Herstellung der Einzelbauteile für das Bauelement und dessen
Monta,e, sowie im späteren Ein-
satz eine hohe #uaschußeao
to eintreten kann.
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Iris diesen Herstellun-sverfahren hat sich das Konstruktionsprinzip
der Scheibenzelle für Leistungsbauelemente entwickelt. Der
Vorteil,
der sich hieraus ergibt, besteht darin, daS die in der
SperrschiaM auftretende Verluaiuära ee nach be t den Seiten
der Kühlkörper abgeführlt und durch den von außen wirkernd,en
Kohfaktäruck das Bauelement selbst
relativ klein :-ehalten werden Kann.
Zweck
der Erfindung ist es, eine Scheibenzelle mit vereinfachter Tecinologie
bei gleichzeitiger Senkung der Fertigungskosten und
hoher
Ausbeute zu schaffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sockel
und die Deck-
platte der Scheibenzelle derart auszubilden, daß
die einzelnen Teile des Bauelementes in einem technologisch einfachen
fertigungsschritt kontaktiert und gleichzeitig verschlossen werden. Außerdem
soll die Zelle so aufgebaut werden, daß bei einem Ausfall-Aas
de-
fekte '1'cil ohne Schwierigkeiten ausgewechselt werden kann.
Erfindungsgemäß
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der von außen wirkende Druck
für die KontaktierunG des Halbleiterelementes
mit den stromzuführenden
Gehäuseteilen gleichzeitig-zum Verschliessen des gesamten Bauelementekörpers
ausgenutzt wird. Um den hermetischen Verschluß zu bewirken, sind in
den als Deck- und Grundplatte ausgebildeten Elektroden ringförmige
Dichtungsflächen vorge-
sehen, auf denen sich Kunststoff- oder Gummiringe
als Dichtungs-
material befinden. Zwischen diesen Ringen der Deck-
und Grundplatt te ist ein Isolierstück aus beispielsweise Glas, Keramik oder
Kunst- t stoff angeordnet.
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Der von außen wirkende Druck-wird hierbei durch den
Einsatz von Sotrennten in der Federwirkung unterschiedlicher Materialien
innerhalb der Zelle ab aufgeteilt, daß die einzelnen Kontaktflächen
mit unter-
schiedlichem Druck pro Flächeneinheit belastet werden.
Der Spanndruck wird also gleichmäßig oder unterschiedlich in zwei
oder mehrere Komponenten aufgegliedert. s Ein weiteres Merkmal
der Erfindung besteht darin, daß z.B. bei ei-
ner Thyristoranordnung
die Steuerelektrode mit ihrem lnschluß seit-
lich oder zentrisch
aus der Scheibenanordnung herausgeführt ist und
ebenfalls. durch Kunststoff-
oder Gummiringe der hermetische Vorschluß erfolgt. Wesentlich ist
hierbei, daß zwischen Halbleiterelement und den Steuerelektroden eine lösbare
Verbindung vorhanien ist.
Die Steuerelektrode ist bei einer
vorgesehenen seitlichen HerausfUhrung beispielsweise als Ringkontakt
ausgebildet und lediglich mit dqm äußeren Steuerkontaktanschluß
flexibel verbunden. Die ringförmige Steu-
erelektrode liegt
hierbei auf der Steuerkontaktfläche auf.
Die
Auswrechselbarkeit des Halbleiterelementes ist auch dann gegeben,
wenn
der Ringkontakt mit einem oder mehreren Elektrodenanschlüssen durch das Isolierstück
geführt und mit diesem, z.B, durch Löten,
fest verbunden ist. -Eine
weitere Möglichkeit Ger konstruktiven Ausbildung der Elektrodendurchführung
besteht darin, daß die AnschluBkontakte aus einer
oder mehreren
metallischen Flächen oder Segmenten bestehen, die ein- oder beidseitig
auf ein Isoliermaterial aufgebracht durch den
isolierenden Teil
des Gehäuses geführt sind.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, die Steuerelektrode mit
ihrem
Anschluß zentrisch durch die Deckplatte und dem Kühlkörper
mittels einer
Steckbuchse herauszuführen.. Durch diese zentrische
Anordnung der Steuerelektrode
ergeben sich günstigere Durchschaltzeiten. Es ist ferner nicht notwendig,
die Außenfläche des Isola-
tionsteiles zusätzlich zur Einhaltung
der Kriechstrecke zu ver-
größern. Euch innerhalb der zentrisch herausgeführten
Steckbuchse
der Steuerelektrode ist für den Kontaktdruck ein Gummiring
vorge-
sehen, der neben der Funktion der Federung gleichzeitig als
Dichtun- und Isolator wirkt.
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Diese Doppelfunktion der Federung und gleichzeitigen Dichtung ist ebenfalls
für den Gummiring oberhalb des Kühlkörpers vorgesehen. Eine derartige Federung
für die Druckkontaktierung hat darüber
hinaus noch den Vorteil, keinen
absoluten Grenzdruck zu besitzen.
Durch diese erfindungsgemäße
Kontaktier- und Verschlußtechnik ist
es möglich, das gesamte
Gehäuse bei einem Ausfall das Halbleiter-
elementes zu demontieren und
einen Austausch des Elementes unter
Verwendung aller übrigen Bauteile
vorzunehmen. Ebenfalls vorteil-
haft ist es, daß keine festen
rietall/Glas- oder Metall/Keramik-Verbindungen vorhanden sind, die
bekanntlich als besonders stör-
anfällig gelten.- Die erfindungsgemäße
Lösung gestattet es ferner,
die. gesamte Oberflächenbearbeitung der
pn-Übergänge vor den Kon## °'taktierungs--und Versehlußarbeitsgang vorzunehmen,
Die pn-Übergangaätzung und Stabilisierung kann also am Halbleiteraletent,
ohne daß dieses in:Verbinduag mit einem anderen Körper ist,
ausgeführt wräan;
Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungebeispielen
näher erläutert werden.
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In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. Iden Aufbau des
Gleichrichters im Schnitt mit Spannschrauben.
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Fig. 2: Gesamtaufbau des Gleichrichters mit Kühlelement.
Fis.
3: den Gehäuseaufbau. eines Thyristors mit zentrischer
Steuerelektrode.
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Fig. 4: den Gehäuseaufbau mit veränderter zentrischer Steuer-
elektrode.
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Fig. 5: den Gehäuseaufbau mit Steuerelektrode als Ringkontakt. Fig.
Eden Gehäuseaufbau eines Thyristors.
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Wie aus der Fis. 1 ersichtlich. wird der Druck zur Ifontaktiorung
des Elementes 1 und zum gleichzeitigen Verschließen des Gehäuses mittels
der Dichtungen 2 von den beiden Spannbolzen 3 erzeugt. Dieser Druck wird
mit Hilfe einer Druckplatte 4 auf das Federele-
ment 5 übertragen.
Das Federelement 5 kann aus den verschiedensten federnden Materialien bestehen und
in Form einer Teller Spiral-Gummiteder u.ä. ausgeführt sein. Das Federelement
5 hat die Aufgabe,. die durch die thermischen wechselbelastunen auftretenden
mechanischen Spannungen so auszugleichen, daß das Gehäuse ständig
mit einem-konstanten Druck zusammengepreßt wird. Dieser konstante
Druck.
wird vom Federelement 5 über den oberen bzw. unteren Kühlkörper
6,7
auf die Deckplatte 8 bzw, auf die Sockelplatte 9 übertragen.
Die
Deck- und Sockelplatten 8,G werden vorteilhafterweise
aus einem
elektrisch und thermisch gut leitenden ilateri,al, z.B;
Kupfer, her.. gestellt.
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Durch diel Verwendung elastischer Dichtungen 2, z.B.
aus Gummi oder Kunststoff, tritt durch die Deck= und Sockelplatte
899 eine Druck-
aufteilung in der Art stuf, daß einerseits durch
die einer Druekkomponente--das Gehäuse über die beiden Dichtungen
2 und den Isolierring 10 abgedichtet ist und andererseits
durch die andere Druckkont.r ponente das Element 1 kontaktiert
wird. In den beiden Kühlkörpern 697 sind ein Stromabführungsblach-11
und ein Stromzuführungsblech 12 aus
einem elastisch und thermisch gut leitenden
Naaterial, z.K. Cu. eintalassen. Diese beiden Bleche 11,12 garantieren
einen guter: Ubergangswiderstand
an den Elektroden
des Gleichrichters.
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Wbhrend in der Fid. 2 eindeutig die Anordnung
der Spannbolzen und der Druckplatte 4 innerhalb des oberen bzw.
unteren KühlUrpers G,7-dargestellt ist, wird in Fig. 3 der Gehäuseaufbau
eines Thyristors bazeibt.
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Wie bereits zu Fig. i ausgeführt, wird auch hier eine
Druc3taufteilung vorgonoc:nen. Sie erfolgt in diesen Beispiel schon
durch den oberen Kühlkörper 31 in Zwei Komponenten. Die eine Druckko». ponente
wirkt auf die Deckplatte 33 und die andere auf die Stau. ereloktrode
35. Ermöglicht wird diese Druckaufteilung durch einen
alastisclieit
Dichtring 36. Dieser Dichtring hat ferner die Aufgabe, die Steuerelektrode
von der Deckplatte zu isolieren. Dia gleiche Aufgabe erfüllt ner :soliersahlauch
37. Damit auf die relativ
kleine-Steuerolaktrodenfläche kein@zu großer
Druck übertragen
wird, befindet sich innerhalb der Steuerelektrode ein
gesondertes
Federelement )8.
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In c:er FiE, 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Anordnung der Steuerelektrode gezeigt. Der elastische Dichtring 42 der
Stauerelektrode 41 Wirkt in dieser konstruktiven Ausbildung gleichzeitig
als Federelement für die Steuerelektrode.
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Die bureits eingangs darjeleCte Grundkonstruktion
.los Baualeaaates i;c5tattet
eine weitere tiöglichkait
der
Anordnung
einer Stauiralakt:ode in 4er
Art, da3 die Steuerelektrode
als Ringkontakt
ausgebil-
det ist und sich an der Peripherie
des Elementes
52 befindet. (Siehe
Abo. 5 )
Die Druckaufteilung
und die Wirkungen
des elastischen ZwisehanctUcxes
55 sind die gleichen
wie bei den bereits dargestellten r:oaatruktionsbai3pielen.
Unterschiedlich
ist dagegen dar steter. ekektrodananschluß
58, der k;amät3
dem AusfUhrungsbaispial aiaht
durch die Deckplatte
53, sondern
durch den Isolierring 59,60 aaoh a"en -efüiirt
wird.
| üweclunässi...verweisa ist der Isolierring in einen
oberen Ding 59 und |
| .einen unteren Ring 60 geteilt. 11t Abdichtung des ätara»lalctrodsa# |
| ansehlnssas wisahan den ue iden Unjan arfol@t mittels .der
Dieb- |
tungea
56,57.
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Der in lig. 6 erfindungßgemüß dargestellte Thyristor
ist gekennzeichnet durch die beiden äUhlkörper 61,62 und
den Anschlußblechen 63 u..64.
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Die Anschlußbleche und die Deck- bzw. Sockelplatte
65,66 werden
durch einen Ring 67 und einen Stift 68 zu
den beiden Kühlkörpern zentriert,-Da die Deck- und Sockelplatte,
wie bereits zum Ausdruck gebracht, aus einem sehr gut wärme--und
stromleitenden Haterial (Cu) bestehen und diese im-allgemeinen
einen anderen
Yärmeausdehnungskoefäfizienten als das Halbleiteraaterial
besitzen,
ist es nicht vorteilhaft, direkt.nit der Deck- b.zw.
Sockelplatte
65,66 den Druckkontakt auf das Halbleiterelement
69 auszuüben.
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Um eine höhere Wechsellastbeständigkeit zu gewährleisten,
sind
die Deck- bzw. Sockelplatten 659606 oder dag.Halbleiterelenent
mit den. Deck- bzw. Trägerscheiben 70,71 fest verbunden. Die DruckkontaktUbergäaje
befinden sich also zwischen .der Deck- bzw. Triigerscheibe ?0,71
und dem Halbleiterelement od-ir zwischen der Deck-bzw. Sockelscheibe
7u,11 und der Deck- bzw. Sockelplatte 65,66.
Das Halbleitereledent
wird innerhalb vier Zelle durch den Ring 72 zentriert. Die Steuerelektrode
besteht aus einem Drucksteupel 7j, eines Dichtstempel 74 und einem Ansc.lußkabel-75:
Zwiachenf dom Druck- und dem Dichtstempel 73,'l4 batindet sich ein Federelement
7G, ua einen definierten Steuerelestrodenkontaktdruck ei:ivtellen
zu
können.
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Die elastischen Zwischenstücke sind öenü2 dem #usführungshaispiel
als Gumiringe 78,79 ausgebildet, die zxr besseren Abdichtung
der
Gehäuseteile in Ringnuten angeordnet sind. Die Druckaufteilung
zum
Abdichten und Isolieren der Steuerelektrode erfolgt durch den
Guamiring
??Der Isolierring 80 ist zur Vorgröat-:rund der Kriechstrecke vorgesehen
und berteht aus eine: druckfesten Isclierstoff, z.8. Keramik.
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Die Dichtungsringe ??,?E,79 :c wie das federele.ient
'j6 können aus
einem Silikoiigun=i herZestellt soia.