DE2452922A1

DE2452922A1 - Leistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2452922A1
Application number: DE19742452922
Authority: DE
Inventors: Oavel Kafunek; Pavel Dipl Ing Reichel; Oto Dipl Ing Valcik; Buhuslav Dipl Ing Voboril
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1975-05-28
Also published as: HU170385B; DE2452922B2; CS166520B1; DD114318A5

Description

Leistungshalbleiterbauelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiterbauelement, das eine aus halbleitendem Material bestehende Scheibe mit mindestens einem PN-übergang enthält, welche in einem Gehäuse mit vervollkommneter Abführung der beim Betrieb des Bauelementes entstehenden Wärme untergebracht ist.
Ein schwieriges Problem beim Entwurf von Leistungshalbleiterbauelementen stellt die Ausbreitung der bei ihrem Betrieb entstehenden Wärme dar, denn die geeignete Wärmeabführung vom Bauelement ist ein wesentlicher Faktor seines sicheren und verläßlichen Betriebes. Zur Zeit sind die Leistungshalbleiterbauelemente in der Regel mit einem aus einem relativ massiven Stück Material guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehenden Kühlkörper versehen. Diese entweder mit Kühlrippen oder mit von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kanälchen ausgestatteten Kühlkörper sind relativ wenig wirksam, da der Wärmeübergang fast ausschließlich durch Leitung erfolgt, und außerdem schwer und kostspielig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabführung solcher Leistungshalbleiterbauelemente mit möglichst geringem Aufwand zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Leistungshalbleiterbauelement, das eine Scheibe aus halbleitendem Material mit mindestens einem PN-Übergang enthält und zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet ist, von denen mindestens einer von einem Wärmerohr#gebildet wird, mit dem Kennzeichen, daß der Boden des Wärmerohres einen Vorsprung hat, auf den sich die Innenseite eines elastischen Gliedes stützt, an dessen Außenseite ein in der zur Achse des Halbleiterbauelementes senkrecht stehenden Ebene geteiltes Verbindungsglied anliegt, dessen Innenumfang zugleich die Zentrierfläche der Scheibe aus halbleitendem Material bildet.
Der Boden des Wärmerohres besteht vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän und ist bei Bedarf zweckmäßig an der an die Scheibe aus halbleitendem Material anliegenden Seite mit mindestens einer Rille, resp. Aussparung, versehen.
Man erreicht so die. Schaffung eines Leistungshalbleiterbauelementes mit kleinstmöglichem Wärmewiderstand zwischen der Wärmequelle in der Halbleiterscheibe und dem Kühlkörper unter Aufrechterhaltung guter mechanischer und elektrischer Eigenschaften.
Als Kühlkörper werden vorzugsweise zwei Wärmerohre benutzt. Das Wärmerohr ist eine sehr wirksame, in letzter Zeit ständig häufiger benutzte Einrichtung zur Wärmeübertragung.
Im Prinzip ist das Wärmerohr ein geschlossenes Gefäß von geeigneter Form, dessen Innenwände mit einer durch eine Verdampfungsflüssigkeit gesättigten kapillaren bzw. osmotischen Struktur versehen sind. Die sich im Gefäß unter geeignetem Druck befindende Arbeitsflüssigkeit absorbiert in der Verdampfsektion des Wärmerohres Wärmeenergie, verdampft, und der entstehende Dampf strömt unter Einfluß der Druckdifferenz in die Kondensiersektion des Wärmerohres, wo er kondensiert.
Die Rückkehr des Kondensates in die Verdampfsektion wird durch die kapillare bzw. osmotische Struktur, gegebenenfalls mit Beihilfe der Schwerkraft gesichert, und der Vorgang wiederholt sich. Die Verdampfungswärme wird also durch Phasenumwandlung der Flüssigkeit in Dampf absorbiert und bei der Dampfkondensation freigegeben, wobei aus dem an die Verdampfsektion des Wärmerohres angrenzenden Bereich der Wärmequelle eine große Wärmemenge bei einem sehr kleinen Temperaturgradient in die Kondensiersektion des eventuell mit Kühlrippen versehenen Wärmerohres übertragen wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar in Fig. 1 der Schnitt durch dieses Halbleiterbauelement; und in Fig. 2 eine der möglichen Ausführungen des Verbindungsgliedes.
Nach Fig. 1 befindet sich die Scheibe 1 aus halbleitendem Material, beispielsweise Silicium, zwischen zwei Wärmerohren 10, die an diese Scheibe durch elastische Glieder 8 angedrückt werden. Die elastischen Glieder 8, beispielsweise Tellerfedern, stützen sich mit ihren Innenseiten auf Vorsprünge der Wärmerohre 10, welche durch deren Boden 2, beispielsweise aus Wolfram, Molybdän oder Tantal, gebildet werden können. Die Außenseiten der elastischen Glieder 8 stützen sich mit Hilfe von Metallunterlagen 9, 13, gegebenenfalls auch mit Hilfe eines Isoliergliedes 15, auf das Verbindungsglied 4. Dieses Verbindungsglied 4 kann in einer Vielzahl von bekannten Varianten ausgeführt sein, es kann beispielsweise in der zur Achse des Halbleiterbauelementes senkrechten Ebene oder in der mit der Achse des Halbleiterbauelementes parallel verlaufenden Ebene geteilt sein, wie in Fig. 2 dargestellt ist oder in vielen anderen Varianten ausgebildet sein. Es kann aus Metall oder aus einem Isolierstoff bestehen.
Der Innenumfang des Verbindungsgliedes 4 kann vorteilhaft die Zentrierfläche der Scheibe 1 aus halbleitendem Material bilden. Diese Scheibe kann an ihrem Umfang mit einem Schutzring 3, beispielsweise aus Silikonkautschuk, versehen sein.
Eine derart erfindungsgemäß gestaltete Anordnung des Halbleiterbauelementes kann nach einer der bekannten Methoden eingekapselt werden, um u.a. ihre mechanische und klimatische Beständigkeit sicherzustellen. An die Außenwände der Wärmerohre 10 können beispielsweise Metallflansche 7 angeschweißt werden, welche durch Druck- oder Widerstandsschweißnähte mit weiteren, am Isolierglied 5, beispielsweise eine keramische Durchführung, angeschweißten Metallarmaturen 6, verbunden sein können. Das Bauelement kann ebenfalls mit einem Kunststoff 14 geeigneter elektrischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften, beispielsweise Epoxidharz, umspritzt sein.
In der Fig. 1 ist das Beispiel eines beiderseitig gekühlten Halbleiterbauelementes gemäß vorliegender Erfindung dargestellt, die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Ausführung begrenzt. Das mittels Verbindungsglied 4 an die Basis des Halbleiterbauelementes gedrückte elastische Glied 8 kann mit seinem einen Teil an dem Vorsprung des Wärmerohres 10 anliegen. Die Erfindung kann also auch bei nur einseitig gekühlten Halbleiterbauelementen Anwendung finden.
Falls es notwendig ist, aus der Scheibe 1 aus halbleitendem Material eine oder mehrere Steuerelektroden herauszuführen, kann beispielsweise der Boden 2 des Wärmerohres 10 auf der an der Scheibe 1 aus halbleitendem Material anliegenden Seite mit mindestens einer Rille oder Aussparung versehen sein, durch welche dann die Ausführung der Steuerelektrode führt. In einer anderen Variante kann dann beispielsweise der Boden 2 des Wärmerohres 10 mit dem Außenmantel des Wärmerohres 10 durch ein eingefügtes Rohr 12, durch welches die Ausführung der Steuerelektrode führt, verbunden sein.
Die Steuerelektrode kann auf eine bekannte Art an die Scheibe 1 aus halbleitendem Material angeschweißt oder angedrückt sein.
Ein Halbleiterbauelement gemäß vorliegender Erfindung, beispielsweise eine Leistungsdiode, ein Leistungstransistor, ein Thyristor oder ein Triac, ermöglicht angesichts seiner Gestaltung das Erzielen einer höheren Strombelastbarkeit bzw. eines höheren di/dt-Wertes als bei bereits bekannten konventionellen Konstruktionen. Durch eine geeignete Gestaltung der Wärmerohre, beispielsweise durch Einfügen von zweckmäßig geformten Wänden in den Innenraum der Wärmerohre wird eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit des Bauelementes gegen kurzzeitig auftretende Stromüberlastungen erzielt; denn die durch Einfluß des Wärmerohres ejektierte Flüssigkeit wird dann durch die zweckmäßig gestaltete Wand #ugenblicklich in den Bereich der Wärmeentwicklung zurückgeleitet.

Claims

Patentansprüche

1. Leistungshalbleiterbauelement, das eine Scheibe aus halbleitendem Material mit mindestens einem PN-Übergang enthält und zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet ist, von denen mindestens einer von einem Wärmerohr gebildet wird, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Boden (2) des -Wärmerohres (10) einen Vorsprung hat, auf den sich die Innenseite eines elastischen Gliedes (8) stützt, an dessen Außenseite ein in der zur Achse des Halbleiterbauelementes senkrecht stehenden Ebene geteiltes Verbindungsglied (4) anliegt, dessen Innenumfang zugleich die Zentrierfläche der Scheibe (1) aus halbleitendem Material bildet.

2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) des Wärmerohres (10) aus Wolfram, Tantal oder Molybdän besteht.

3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) des Wärmerohres (10) auf der an der Scheibe (1) aus halbleitendem Material anliegenden Seite mit mindestens einer Rille oder Aussparung versehen ist.

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