DE2639979A1 - Halbleiterbaueinheit - Google Patents

Halbleiterbaueinheit

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Description

SEMIKRON
Gesellschaft für Gleichrichterbau und EleKtronik m.b 8500 Nürnberg, Wiesentalstraße 40 Telefon 0911 / 37781 - Telex 06 -22155
3. September 1976 PA - Bu/au K 17605
HALBLEITERBAUEINHEIT
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.
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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. 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 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
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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 angepaßt 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
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-JT-
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 13-4-6 an seinem stegförmig 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 Gewindebohrung 27 zum Schraubanschluß von Stromleiterteilen versehen. Die Abschnitte 3c, 13c der Kontaktbauteile liegen z.B. in der Ebene parallel zu derjenigen der Grundplatte 1 und bilden je eine Stützfläche für eine beide verbindende Anschlußplatte 8 aus Isoliermaterial. Diese weist Lot- 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 13-4-6 befestigt.
Die Kontaktbauteile und Anschlußteile können beliebige Form aufweisen und beliebig angeordnet sein, da ihre Ausbildung und Anordnung nicht Gegenstand der Erfindung ist.
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Der aufgezeigte Aufbau ist in dem aus Gehäuseteil 12 und Grundplatte 1 bestehenden, oben offenen Gehäuse 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 1Π aufweisen, die jeweils parallel zur Längsachse angeordnet sind. Es können Erhebungen lila an den Längsseiten und solche (HIb) 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 111b 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 lila und 111b können auch zu einer Erhebung 111c kombiniert sein, wie dies ebenfalls in Figur 2 dargestellt ist.
.Anstelle der Erhebungen 111 können stift- oder höckerförmige 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.
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Die Grundplatte 1 kann beispielsweise durch Kaltfließpressen 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 Π 3 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 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 Begrenzungsteilen 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 Kontaktbauteil 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 verbleiben.
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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 Anwendung von Halbleiterbaueinheiten nach der Erfindung. Auf einem Kühlbauteil 20, vorzugsweise aus Strangpressmaterial und mit gewünschtem Profil, sind mithilfe von in der Auflagefläche für die Baueinheiten 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 Drehstrombrückenschaltung verbunden. Nachdem an jeder Baueinheit auch Anschlußmittel für Steuer- und Beschaltungsleitungen vorgesehen sind oder angebracht werden können (31, 33), ist bei geeignetem Profil des Kühlbauteils auf einer weiteren Seite desselben beispielsweise auf wenigstens einer im Kühlmittelstrom liegenden, mithilfe von Befestigungsnuten angebrachten Schaltungsplatte 25 aus
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Λ%
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 Lot- und/oder Steckanschlußteile 28.
Der Einsatz 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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Claims (10)

  1. ί 1) JHalbleiterbaueinheit, 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 Ha IbJ eiterbauelementen 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 sindy und bei der die Halbleiterbauelemente mit ihren Kontakt- und Anschlußbauteilen in einem aus der Grundplatte und aus einem Kunststoffteil bestehenden Gehäuse untergebracht sind, d.g.
    daß eine wannenförmlge, an ihrer äußeren Bodenfläche plane Grundplatte (l) vorgesehen ist, die an ihrer inneren Bodenfläche Ausbildungen (111, 112, 113, 114) zur Anordnung und Halterung der Isolierscheibe (2) und Kontaktbauteile (3,13) in der für den Zusammenbau der Baueinheit bestimmten Lage 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 (la) 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, insbesondere zur Kühlung der Baueinheit, eine dauerhaft feste Verbindung ermöglicht. 8098 10/0369
    ORIQiNAL INSPECTS
  2. 2) Halbleiterbauemheit nach Anspruch 1, d.g.
    daß die Grundplatte auf einer durch die Auflage der Isolierstoff scheibe (2) bestimmten Flächenumfangslinie ihrer inneren Bodenfläche Erhebungen (111, 112) zur Halterung bei Herstellung der Lötverbindung der Isolierstoffscheibe (2) mit der Grundplatte aufweist.
  3. 3) Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 2, d.g.
    daß die Erhebungen streifenförmig (111) oder höckerförmig (112) ausgebildet sind und eine Höhe gleich der oder kleiner als diejenige der Isolierstoffscheibe (2) aufweisen.
  4. 4) Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, d.g.
    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 Isolierstoff scheibe (2) aufweist.
  5. 5) Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, d.g.
    daß die Grundplatte (l) auf einer durch die Auflage der Isolierstoffscheiben (2) bestimmten Flächenumfangsiinie ihrer inneren Bodenfläche Vertiefungen (114) zur festen An ordnung von bolzenförmigen Begrenzungsteilen (115) für die lagebestimmte Anbringung von Bauteilen aufweist, daß die Begrenzungsteile (115) aus einem elastischen Kunststoff be stehen 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) auf-
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    weisen.
  6. 6) Halbleiterbauelemente nach Anspruch 5, d.g.
    daß die Begrenzungsteile (115) aus einem bei der vorgesehenen Temperatur zum Weichlöten von Grundplatte (l), Isolierstoffscheibe (2) und Kontaktbauteilen (3, 13) beständigen Material bestehen.
  7. 7) Halbleiterbaueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d.g. daß die Grundplatte (1) aus einer an sich bekannten Aluminium- Magnesium-Legierung besteht und auf ihrer inneren Bodenfläche einen Überzug aus Nickel zur Erzielung einer Lötverbindung mit der metallisierten Isolierstoffscheibe (2) aufweist.
  8. 8) Halbleiterbaueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d.g. 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 AIuminiumteilschicht eine nur durch die mechanische Festigkeit der Grundplatte bestimmte, minimale Dicke aufweist.
  9. 9) Halbleiteranordnung mit Halbleiterbaueinheiten nach den Ansprüchen 1 bis 7, d.g.
    daß die Halbleiterbaueinheiten mit ihrer Grundplatte (l) auf einem Kühlbauteil (20) befestigt und bei einer Anordnung zu mehreren aneinandergereiht durch Stromschienen (22) zu einer gewünschten Halbleiterschaltung elektrisch verbunden sind.
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    τ Jf-
  10. 10) Halbleiteranordnung mit Halbleiterbaueinheiten nach Anspruch 9, d.g.
    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· befestigte(n) Halbleiterbaueinheit(en) sowie an sich bekannte Lot- und/oder Steckanschlußteile (28) zur Herstellung von Schaltverbindungen zwischen Schaltungsbauteilen und Halbleiterbaueinheiten angebracht sind.
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