DE2324370B2 - Halbleiterbaustein - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterbaustein mit einem einteiligen, auf seiner Außenseite mit Kühlrippen versehenen, hohlen Kühlkörper, dessen Innenraum senkrecht zu mindestens einer Querschnittsebene plane, in dieser Q)uerschnittsebenc konisch zueinander verlaufende Innenflächen aufweist, wobei eine mit der Konusachse koaxiale Schraubvorrichtimg vorgesehen ist, mit deren Hilfe keilförmige Druckkontaktstücke in Achsrichtung unter Zwischenschaltung einer Vorspannungsfeder verschoben werden können.

Ein Halbleiterbaiistein dieser Art ist durch die DT-OS 15 39 b5b bekannt. Bei dieser Ausführung weist der Kühlkörper im wesentlichen Zylinderform und einen pyramidensiumpfförmigen Hohlraum auf. in dem mehrere Halbleiterkörper so angeordnet sind, daß sie mit der einen Seite an der Innenfläche des Kühlkörpers und mit der anderen Seite an dem zur Konusachse koaxialen gemeinsamen keilförmigen Druckkontakt (Keilkörper) anliegen. Dabei führt der Kühlkörper elektrische Spannung und die Verlustwärme wird im wesentlichen nur von einer Seite der Halbleiterkörper abgeführt.

Es ist bekannt, Halbleiterkörper in Zellen zu kapseln und diese in Kühlkörper einzuschrauben (US-PS 29^2 165) bzw. an einem Kühlkörper einseitig festzuspannen oder zur besseren Wärmeableitung beidseitig zwischen Kühlkörperhälften einzuspannen (US-PS 29 36 409). Im ersten Fall hat der Kühlkörper üblicherweise das elektrische Potential des Halbleiterkörpers, im zweiten Falle wird der Kühlkörper meist durch geeignete elektrisch isolierende Zwischeniagen, z. B. durch solche aus Aluminiumoxid, an den Berührungsstelier. der Halbleiterzelle von dieser elektrisch nicht aber thermisch isoliert.

Bei der kühlungstechnisch besonders günstigen beidseitigen Einspannung einer fialbieiterzelle zwischen zwei Kühlkörperhälften befindet sich die spannungsführende Zelle häufig im Kühlmedium. /.. B. in Luft. Eine elektrische Isolierung der Zelle ist aber — selbst bei Anordnung elektrisch isolierender Zwischeniagen an den F.inspannstellen — durch Verschmutzungen des Kühlmcdiums nicht immer gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen einteiligen Kühlkörper mil geeigneter Einspannvorrichtung für Halbleiter/eilen zu schaffen, bei dem die Verlustwärme beiderseitig von der Halbleiter/.elle abgeführt wird, dieser aber trotzdem vom Kühlmedium vollständig abgekapselt bleibt und der Kühlkörper mit einfachen Mitteln auch gegen die Haibleitcr/.ellc elektrisch isoliert werden kann. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckkontaktstückc jeweils aus zwei achssymmetrischen Hälften bestehen, deren konische Außenflächen an den Innenflächen des Kühlkörpers anliegen und die zwischen sich eine koaxial angeordnete Halbleiter/eile einspannen. Auf diese Weise ist es gegenüber der bekannten Ausführung mit der zur Konusachse koaxialen Schraubvorriclitung auf einfache Weise möglich, durch Anordnen von Zwischenlagen aus elektrisch isolierendem, aber thermisch leitendem Werkstoff, den Kühlkörper potentialfrei zu halten. Die Anordnung ist bei Erzielung einer zweiseitigen Wärmeabführung sowohl für Selbslkühlung als auch für Zwangskühlung durch ein Kühlmedium (/.. ü. Luft) geeignet und gewährleistet bei jeder dieser Kühlungsartcn eine optimale Ausnutzung des gebotenen Linbauraumes. Ferner wird mit einfachen Mitteln die Herstellung in sich geschlossener, handlicher Funktionseinheiten ermöglicht, die sich leicht auswechseln und im Schadensfall mit geringem Aufwand insiandsctzen lassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichnete Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeig!

Fig. la einen Querschnitt eines I lalblciicrbausteins mit zwei Halbleiterkörpern,

F i g. Ib eine Seitenansicht zu F i g. la,
F i g. 2 zwei in einen Gerätekasten eingebaute Halbleiterbausteine mit horizontalen Kühlrippen für Luftkühlung,

F- i g. 3 eine Anordnung mit vertikal liegenden Kühlrippen und

F i g 4 die Unterbringung von drei übereinander angeordneten Halbleiterbausteinen in einem Kühlschacht

innerhalb eines Geräteschrankes.

Wie in Fig. la dargestellt ibt, ha! der außen mit Kühlrippen 25 versehene Kühlkörper 1, der z. B. aus Aluminium sein kann, die Form einer Wanne mit trapezförmigem Querschnitt. Die einander gegenüberlie- S jenden seitlichen Innenwände 2, 3 schließen einen spitien Winke! λ zueinander ein, wobei die Innenwände 2, 3 als Anlageflächen für zwei keilförmige Kontaktkörper 4, 5 ausgebildet sind, zwischen dcen eine HaIbleiterzellc 6 eingespannt wird. Dadurch befindet sich die Halbleiierzelie 6 im geschützten Innenraum des wannenförmigen Kühlkörpers.

Uni eine einfach? Montage mit wenigen Bauelementen zu erzielen, ist es vorieilhafi, die keilförmigen Kon laktkörper 4, 5 über ein Verbindungsstück 7 miteinantier zu verbinden und eine -Schraube 8 von außen durch den Hoclcn 9 des wannenförmigen Kühlkörpers 1 hiiidurehzuführen und mit dem Verbindungsstück 7 /u verschrauben. Dadurch ist eine von der Außenseite zli betätigende Spanneinrichtung geschaffen, bei der mil einer zeniraleii Schraube über das isolierende Verbindungsstück 7 die beiden keilförmigen Kontaktkörper 4. $, die aus einem elekttisch und thermisch !eilendem Werkstoff bestehen, gleichermaßen sowohl gleichmä tilg gegen die Innenwände des Kühlkörpers 1 als am.h fegen die Kontaktflächen der Halbleiierzelk¹ 6 geipaimt werden können F.ine Feder 10 an der Spannschraube 8 sorgt in bckannici Weise dalur, daß die den C'lordi'rlichen Kontaktdruck erzeugende Sp.innkrait IHK h bei Wärmedehnungen der einzelnen Tcik- in Jen (jelorderien Grenzen blei'n.

Durcli einfache /.wischenlagen Il aus einem elek-(iisi.h gin isolierenden, aber ihei misch !eilenden Werk «■toi!, z.B. Aluniiniunii'Xid wird dafür gesorgt, daß der Ki'ililkorper 1 elektrisch poieniialfrei bleibt I alls der Kühlkörper schaltungslccimisch elektrisclies Potential fuhren soll, kann eine der beiden Zwischenlage'! 11 einfallen.

MiHeIs einer in einem der i.eiltöriiiigen Koniakikor per eingebrachten beweglichen Kugclkakute IH wird sichergestellt, daß sich die Spann- und Koniakiflaclien der kcilloi inigen Kontaktkörper 4. 5 tier l'lanparalleh ru der I lalbleiterzellcn fi anpassen können.

Durch die erfindurig'.gemäßo Spanneinrichtung wird erreicht, daß mit nur einet zentialen Spannschraube .111 den beiden Seiten der 1 l.ilbieiicr/elle (1 tier notwendige Kontaktdruck für einen optimalen elektrischen und thermischen Übergangswiderstand und an ilen beiden Innenwänden 2. 3 des Kühlkörpers I der notwendige Druck für einen ausreichenden Wärmeübergang er /engt wird.

/.weekniäßigerweise sind die I edcr H) der der Kopl teil tier Schraube 8 im Kühlkörper versenkt a'igeordnei und mit einer Kuppe 12 abgedeckt. Diese Kappe 12. die aulgesteckt oder aulgesclii aubi scm kann, sorgt dalür. daß Spannschraube 8 und I eder 10 gegen äußere I.in Nüsse, wie Staub, Feuchtigkeit, mechanische Besihädigung oil. dgl. geschützt sind.

Der et lorderliche Kontaktdruck kanu auch daduich erzeugt werden, daß \on der Wannenöllnung aiii die 6» keilförmigen Kontaktkörpet Mittel zur Frzeugung einer Spannkraft zur Wirkung gebracht werden.

Dt:·: Innenraum des wanricnlormigen Kühlkörpers I isl in vorteilhafter Weise durch eine aufgeschraubte isolierende Abdeckung 13 abgeschlossen. Diese Abilek *>!> kung 13 trägt gleichzeitig die erforderlichen Beschäl Hilfselemente. z.H. bei Ausbildung des I lalblcilcrelc mems als Thyristor auch den Ciillerühcrlragcr 14 (vor zugsweise in vergossener Form) und auch falls erforderlich, einen Steuer Stromstecker 15.

An der Außenseite des wannenförmigen Kühlkörpers sind bei der erfindungsgemäßen Anordrung zusätzlich zu den Kühlrippen 25 Widerstände 16 der sogenannten »ßCBeschaliung« des Halbleiters, die auch eine nennenswerte Verlustleistung besitzen können, angeordnet. Diese Widerstände sind in bekannter Weise in wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Gehäusen gekapselt und in die Wände des Kühlkörpers 1 von außen eingeschraubt. Auf diese Weise geben die Widerstände !b ihre Wärme unmittelbar an das Kühlmedium und/Oder an den Kühlkörper 1 ab. ohne andere Bauteile thermisch zu belasten.

Die Stärkstlomanschlüsse fur die Halbleiie-r/clle ft werden durch die Verlängerungen 17 und 18 der keiltörnugen Kontaktkörper 4, 5 gebildet, welche durch die als isolierende !'latte ausgebildete Abdeckung 13 herausgeführt sind.

hi vorteilhafter Weist- isi in der iibcne der tIaJbleiiei'zellc 6 e.ne diese seitlich umfassende isolierende Gabe! 20 angcoidnei, deren Griff durch einen Schill/

21 in der Abdeckung 13 hindurehgcführt ist Mil dieser eingebauten Gabe! kann die 1 lalbleiieivelie h nach Lockern der Spannschraube 8 durch den Schiit/ 2t hm ihncli ausgewechselt werden, ohne daß die gesamte Baueinheit demontiert werden muß. Die (label 20 ist an der Abdeckung 13 schwimmend, d. h geringliigig ν ei schiebbar, belcsiigi, so daß sie den Fesispannvorgang l'ii'· die I lalhleitei /eile β nicht behindert.

Mit den; ei lindiingsgernäßen Kühlkörper 1 und den dazugehörigen Bauteilen können durch Aneinandenci !ich Doppelhausletue — wie in !ig. Ib dargestellt oder aurh Mehrfachbuusieine geschaffen werden, die in jeweils cnei I in heil Litihauplätze lür zwei oder mehr I lalbleiterzelleii besitzen.

I.in Halbleiicrbaustein oder deren mehrere können, wie in I ig. la angedeutet ist, in l.inbaiiclliiiingen. die sich 111 ilen Wanden von Geräiekiisien oder schranken

22 befinde 11. eingebracht und unter /w-ischenscliahuni: einer umlaufenden Dichtung 2J durch Belcsiigungsschrauben 24 oder Schnellverschlüsse gcdidiiei befesiigi werden. Die erfmdungsgemäßcn Bausteine erlauben sowohl den l.insal/ fur Sellisikühlung als auch lur Ii 'enulkuhlung.

Bei der Selbsikiihlung können je nach Kühlbedingun gen die Kühlrippen 25 sowohl hoi izonlal (I 1 g. 2} als auch vertikal (F i g. J) angeordnet werden

Bei der in I- ig. 4 dat gestellten /wiingskühlung sind drei I lalhleiterbausteine in öffnungen zweier Seiten wände 24 eines Kühlseliaehles 28 eingesetzt. Hier erlaubt der irapezariige Querschni:! der Kühlkörper 1 eine gedrängte Anordnung innerhalb des Kühlschach les 28, durch den ein Kühlmedium gedrüikl oder ge saugt wird und damit eine thermisch verbesserte Ausnutzung des (Querschnittes des Kül.lschachtes 28. Bei dieser l.inbauaii befindet sich die umiaulende Dichtung 2i an der Außenseite der Kühlkörper I. Der Kühl schaelii 28 bcsit/l an seiner oberen und unteren Wand Isolierkörper ?t), übet die er mn dem Gerätekasien 22 verbunden ist. Dadurch ergibt sich der Voneil, daß man dann, wenn man die Isolierkörpei H) für dieselbe Reihcuspaniiung bemißi wie die Isolierkörper der Halb leiterbaiisleine, die aus dem Kühlsehaehl 28 und dem Gerätekasien 22 gebildete Linheil mit einer Betriebs spannung betreiben kann, die doppelt so hoch ist wie die Spannung der Isolalionsbemessung (Reihenspannuiig) der I lalbleiierbausieme.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbaustein mit einem einteiligen, auf seiner Außenseite mit Kühlrippen versehenen, hohlen Kühlkörper, dessen Innenraum senkrecht zu mindestens einer Querschnittsebene plane, in dieser Querschnittsebene konisch zueinander verlaufende Innenflächen aufweist, wobei eine mit der Konusachse koaxiale Schraubvorrichtung vorgesehen ist. mit deren Hilfe keilförmige Druckkontaktslücke in Achsrichtung unter Zwischenschaltung einer Vorspannungsfeder verschoben werden können, d a durch gekennzeichnet, daß die Druckkontaktstücke jeweils aus zwei achssymmetrischen Hälften bestehen, deren konische Außenflüchen an den Innenflächen des Kühlkö^rpers anliegen und die /wischen sich eine koaxial angeordnete Halbleiterzelle einspannen.

2. Halbleitcrbausiein nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper nach Art eint^r Wanne geformt ist, zwischen den konischen Außenflächen der Druckkoniaktstücke eine Zwischenlage (11) aus elektrisch isolierendem, aber thermisch leitendem Werkstoff angeordnet ist. die keilförmigen Kontaktkörper (4, 5) über ein isolierendes Verbindungsstück (7) miteinander verbunden sind und eine Schraube (8) von außen durch den Boden (9) des u. annenförmigen Kühlkörpers (1) hindurchgeführt und mit dem Verbindungsstück (7) unter Zwischenschaltung einer Feder (10) verschraubt ist.

3. Halbleiterbauslein nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dull der wannenförmige Kühlkörper (1) mit einer Abdeckung 13) versehen ist.

4. Halbleiterbausiein nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daIJ die Abdeckung (13) zur Sieuer-Stromübenragung erforderliche Bauteile trägt.

5. Halbleiterbaiistein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. cl.ilJ in der Ebene der Halbleiterzelle (6) eine diese seitlich umfassende isolierende Gabel (20) angeordnet ist. deren Griff durch einen Schlitz (21) in der Abdekkung (13) hindurchgeführi ist.

b. Halbleiterbaustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beschaluingswiderstiinde (!6) für die Halbleiter/.elle (6) außen in den Kühlkörper (1) eingeschraubt sind.