DE2755404A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE2755404A1 DE19772755404 DE2755404A DE2755404A1 DE 2755404 A1 DE2755404 A1 DE 2755404A1 DE 19772755404 DE19772755404 DE 19772755404 DE 2755404 A DE2755404 A DE 2755404A DE 2755404 A1 DE2755404 A1 DE 2755404A1
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Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Halbleiteranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon eine Reihe von Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen eine Halbleiterpille auf einen Kühlkörper direkt aufgesetzt und zusätzlich von einer Umhüllung umschlossen und ein Anschlußleiter isoliert nach außen geführt ist, beispielsweise aus der DT-OS 1 589 553 und dem DT-GM 1 973 014. Außerdem ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem zwei Dioden auf dem gleichen Kühlkörper aufgebracht sind, wobei jede Diode für sich von einer Umhüllung umschlossen und ein Anschlußleiter isoliert nach außen geführt ist, beispielsweise aus dem DT-GM 1 973 009.
  • Bei allen diesen bekannten Anordnungen ist jedoch der Halbleiterkörper vom Kühlkörper nicht isoliert, sondern beispielsweise aufgelötet. Es ist somit nicht möglich, den Kühlkörper potentialfrei zu halten oder Dioden unterschiedlicher Polarität auf einem einzigen Kühlkörper unterzubringen. Bei Brückengleichrichtern für Generatoren in Kraftfahrzeugen, wo Dioden auf Kühlkörpern verwendet werden, sind bisher stets zwei getrennte Kühlkörper erforderlich, wie beispielsweise die DT-PS 1 613 040 zeigt.
  • Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße flalbleiteranordrung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Kühlkörper als Linpotentiolkühlkörper oder potentialfrei - also ohne galvanische Verbindung r#t einer der Elektroden des Halbleiterkörpers - ausgeführt werden kann. Als weitere Vorteile sind ein kleineres Einbauvo'umen, eine Verbesserung der mechanischen und elektrischen Eig#n schaften und eine größere Betriebssicherheit auch bei schweren Umweltbedingungen anzusehen.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Halbleiteranordnung möglich. Von Vorteil ist die bessere Kühlbarkeit der einzelnen Halbleiteranordnung.
  • Bei Brückengleichrichteranordnungen ist es besonders v#rteilhaft, daß alle Dioden auf einem einzigen Kühlkörper untergebracht werden können. Die bisher gebräuchliche Fertigungsmethode von Dioden muß nur geringfügig umgestellt werden. Bei einem defekten Halbleiterkörper ist nur das eine Bauelenent als Ausschuß zu betrachten und nicht - wie bei integrierten Gleichrichterbrücken - die komplette Brückenanordnung. 3eschränkt man sich auf einen einzigen Typ einer Gleichrichteranordnung, bei dem beispielsweise zwei Dioden mit ihrer Kathode gegeneinander liegen, und benützt jeweils nur eine der beiden Dioden, so ergeben sich weitere Vorteile bei der Herstellung und bei der Verschaltung dadurch, daß nur ein einziger Diodentyp verwendet wird und keine Verwechslung möglich ist. Die Ausschußquote bei der Herstellung von kompletten Brückenanordnungen läßt sich dadurch weiter verringern.
  • Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen Figur 1 eine herkömmliche Halbleiteranordnung, Figur 2 eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit einem einzigen Halbleiterkörper, Figur 3 eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung mit zwei Halbleiterkörpern, und die Figuren 4 bis 9 erfindungsgemäße Schaltungsbeispiele mit mehreren Halbleiterkörpern.
  • Beschreibung der Erfindung Bei Brückenschaltungen von Halbleiterelementen, beispielsweise bei Drehstrombrückenschaltungen, sind die am meisten verbreiteten Lösungen die sogenannten Zwei- oder Dreikühlkörpersysteme. Die Kühlkörper haben außer der Aufgabe, die in den Halbleiterelementen entwickelte Verlustwärme abzuführen, die weitere Aufgabe, eine mechanische Einheit der Brückenschaltung zu bilden. Sie gewärleisten durch ihren Aufbau die elektrische Verbindung oder Isolierung der einzelnen Halbleiterelemente, wobei beim Verwenden von herkömmlichen Bauelementen zwei oder drei Spannungspotentiale und damit zwei oder drei Kühlkörpersysteme erforderlich sind. Die voneinander elektrisch zu isolierenden Kühlkörper erfordern einen komplizierten konstruktiven Aufbau und ein verhältnismäßig großes Einbauvolumen. Die Isolation der Kühlkörper gegeneinander und gegebenenfalls gegen ein Gerätgehäuse muß auch bei erschwerten Umweltbedingungen ihre isolierenden Eigenschaften behalten. Bild 1 zeigt eine herkömmliche Halbleiteranordnung mit einem als Kühlkörper dienenden Grundteil 11 einer ersten Lötschicht 12, einem Halbleiterkörper 13, einer zweiten Lötschicht 14, einem Anschlußleiter 15 und einer Umhüllung 16.
  • Der Grundteil 11 ist in die eigentliche Kühlplatte 17 eingepreßt.
  • In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung gezeigt, mit der der Aufbau eines potentialfreien oder eines Einpotential-Diodenkühlkörpers, beispielsweise für Drehstrombrückenschaltungen, ermöglicht wird. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Figur 1. Der Grundteil 11 ist wieder in die Kühlplatte 17 eingepreßt, die Kühlplatte 17 kann aber auch direkt als Grundteil 11 verwendet werden, die beiden Teile 11 und 17 können also einstückig ausgebildet sein. Der Halbleiterkörper 13 ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 auf ein Sockelteil 18 aufgelötet. Das Sockelteil 18 ist gegenüber dem Grundteil 11 mittels einer Isolierschicht 19 elektrisch isoliert; das Sockelteil 18 steht aber über die Isolierschicht 19 in einem guten thermischen Kontakt mit dem Grundteil 11. Vom Sockelteil 18 führt durch die Umhüllung 16 ein Anschlußleiter 21 nach außen. as sei darauf hingewiesen, daß das Sockelteil 18 und der Anschlußleiter 15 auch einstückig ausgeführt sein können.
  • Die Isolierschicht 19 ist als eine sehr dünne, elektrisch gut isolierende - also eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit aufweisende -, aber eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisende Schicht ausgeführt und ist mit dem Grundteil 11 mechanisch sehr eng verbunden. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 hat die Umhüllung 16 die Aufgabe, zusammen mit dem Grundteil 11 und dem Sockelteil 18 über der Isolierschicht 19 eine Baueinheit zu bilden, dem Halbleiterkörper 13 und der Isolierschicht 19 eine ausreichende mechanische Festigkeit zu gewähren und diese Elemente vor Umwelteinwirkungen zu schützen. Die so wirksam geschützte Isolierschicht 19 kann - wie oben erwähnt - sehr dünn gehalten werden. Für die Dicke der Isolierschicht 19 ist außer der Temperaturbeständigkeit die Spannungsfestigkeit des verwendeten Isoliermaterials maßgebend. Beispielsweise kann für die Isolierschicht 19 Al203 verwendet werden, diese Schicht hat dann eine ausreichende Spannungsfestigkeit und zeigt bei voller Belastung einen nur geringen Gesamttemperaturabfall.
  • Ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel übernimmt die Aufgabe der Isolierung anstelle des im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 verwendeten Nicht leiters 19 ein weiterer Halbleiterkörper 22, der in Sperrichtung geschaltet ist.
  • Selbstverständlich ist zwischen dem Halbleiterkörper 13 und dem weiteren Halbleiterkörper 22 wieder ein Anschlußleiter 21 nach außen geführt. Wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 kann auch beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 das Grundteil 11 und die Kühlplatte 17 einstückig ausgebildet sein.
  • Die Verlustwärme des Halbleiterkörpers 13 wird über die Lötschicht 12, den entsprechenden Teil des Anschlußleiters 21, die weiteren Lötschichten 23 und 24 und den weiteren Halbleiterkörper 22 an das Grundteil 11 abgeführt. Die Halbleiterkörper 13 und 22 sind in jedem Fall gegeneinander gepolt.
  • Mit Dioden, die unter Zuhilfenahme der Halbleiteranordnungen der Ausführungsbeispiele nach Figur 2 und/oder Figur 3 hergestellt sind, läßt sich auf einfache Weise beispielsweise eine Gleichrichterbrückenschaltung für Drehstromgeneratoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge, realisieren.
  • In Figur 4 ist eine Drehstrom-Gleichrichterbrücke gezeigt, in der Halbleiteranordnungen nach Figur 1 - also mit einem Nichtleiter 19 isoliert - in einen Kühlkörper 25 eingepreßt sind. Wie man sieht, stellt der Kühlkörper 25 eine einstückige Ausführungsform des Grundteils 11 und der Kühlplatte 17 dar. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der Kühlkörper 25 potentialfrei. Drei der Halbleiterkörper 13 liegen mit ihrer p-Schicht, die übrigen drei mit ihrer n-Schicht am Kühlkörper 25 an. Je ein Anschlußleiter 15 eines Halbleiterkörpers 13 aus der ersten Anzahl ist mit je einem Anschlußleiter 15 eines Halbleiterkörpers 13 aus der zweiten Anzahl verbunden und kann an einen Phasenanschluß R, S, T des nicht eingezeichneten Drehstromgenerators angeschlossen werden. Alle zu am Kühlkörper 25 anliegenden p-Schichten führenden Anschlußleiter 21 sind zusammengefaßt und führen zum Plus-Anschluß, alle zu am Kühlkörper 25 anliegenden n-Schichten führenenden Anschlußleiter 21 sind ebenfalls zusammengefaßt und führen zum Minus-Anschluß. Zweckmäßigerweise sind die Halbleiterkörper 13 wieder auf ein Sockelteil 18 aufgesetzt, das in den Kühlkörper 25 eingepreßt ist.
  • Die Halbleiterkörper 13 sind von der Umhüllung 16 umschlossen.
  • Die in den Halbleiterkörpern 13 entstehende Verlustwärme wird über die Isolationsschicht 19 und das Sockelteil 18 auf den Kühlkörper 25 und von dort aus an die Umgebung abgeleitet.
  • Wenn man es zulassen kann, daß der Kühlkörper 25 auf einem Potential, beispielsweise auf dem negativen Potential, liegt, dann muß die zweite Anzahl der Halbleiterkörper 13 nicht vom Kühlkörper 25 isoliert sein. In diesem Fall können für die zweite Anzahl nicht isolierte Dioden verwendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt und ist eine preisgünstige Lösung für Drehstromgeneratoren in Kraft fahrzeugen.
  • In den Figuren 6 und 7 sind entsprechende Ausführungsbeispiele für Drehstrom-Brückengleichrichter wie in den Ausführungsbeispielen nach Figur 4 und 5 gezeigt, jedoch sind in den Figuren 6 und 7 als Isolationsschichten weitere Halbleiterkörper 22 wie in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 verwendet. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie in den vorhergehenden Figuren.
  • Figur 8azeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Halbleiterkörper 13 nach Figur 1 und ein durch einen weiteren Halbleiterkörper 22 isolierter Halbleiterkörper 13 nach Figur zusammen in einer Vertiefung im Kühlkörper 25 angeordnet sind, Figur 8b ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein durch eine Isolierschicht 19 isolierter Halbleiterkörper 13 verwendet ist.
  • Ein Brückengleichrichter, insbesondere ein Drehstrom-Brückengleichrichter für Kraftfahrzeuge, läßt sich gemäß Figur 9 vorteilhaft mit nur einer einzigen Halbleiteranordnung, nämlich der Anordnung nach Figur 3, realisieren. Dabei ist also nur ein einziger Diodentyp erforderlich und es ist bei der Herstellung und bei der Lagerhaltung keine Verwechslung möglich.
  • In Figur 9a, in der wieder die gleichen Bezugszeichen in den vorhergehenden Figuren verwendet ist, ist ein Ausführungsbeispiel vorgestellt, bei der die drei in der Figur rechts gezeigten halbleiterkörper je nach Phasenlage Strom führen können, während die drei im Bild rechts gezeigten weiteren Halbleiterkörper 22 stets gesperrt sind. Die drei links im Bild gezeigten Halbleiterkörper 13 sind stets gesperrt, und die drei weiteren Halbleiterkörper 22 im Bild links können je nach Phasenlage Strom führen. Die drei stromführenden Halbleiterkörper 13 im Bild rechts stellen damit Plusdioden, die drei stromführenden weiteren Halbleiterkörper 22 im Bild links die lwlinusdioden dar. Erreicht wird das dadurch, daß die drei Anschlußleiter 21 im Bild rechts zusammengefaßt zum Plusanschluß geführt und je ein Anschlußleiter 15 einer Diode rechts und ein Anschlußleiter 21 einer Halbleiteranordnung links zusammengefaßt an einen Phasenanschluß gelegt werden, daß die drei Anschlußleiter 15 links freibleiben und der Kühlkörper 25 mit dem llinusanschluß verbunden wird.
  • Die drei rechten stromführenden Dioden stehen damit in einem indirekten, die drei linken stromführenden Dioden in einem direkten Wärmekontakt mit dem Kühlkörper 25.
  • Die Schaltung in Figur 9b ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 9a etwas geändert. Die drei Anschlußleiter 21 rechts sind zum Pluspol und die drei Anschlußleiter 15 links zum Minuspol geführt, je ein Anschlußleiter 15 rechts und ein Anschlußleiter 21 links sins zusammengefaßt und mit einem Phasenanschluß R, S, T verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel stehen alle aktiven, also stromleitenden Dioden 13 in einem indirekten Wärmekontakt mit dem Kühlkörper 25.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Figur 9c ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach 9a. Die in Figur 9a freigelassenen Anschlußleiter 15 links sind jedoch hier zusammengefaßt und an einen Anschluß K geführt. Zwischen X und dem Plusanschluß kann ein Signalgeber S vorgesehen werden, der in Abhängigkeit von der Generatorausgangsspannung einen Schalter betätigen kann.
  • In Figur 10 ist gezeigt, wie als IIalbleiterkörper 13 auch steuerbare Halbleiterkörper verwendet werden können. Es ist zusätzlich ein Steueranschluß 26 vorgesehen.

Claims (19)

  1. Ansprüche Halbleiteranordnung mit einem als Kühlkörper dienenden metallischen Grundteil (11), an dem mindestens ein Halbleiterkörper (13) angebracht ist und mit einer mit dem Grundteil (11) verbundenen Umhüllung (16), die zusammen mit dem Grundteil (11) ein den Halbleiterkörper (13) vollständig umschließendes Gehäuse bildet, durch die mindestens ein Anschlußleiter (15) isoliert nach außen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (13) gegen das Grundteil (11) mittels einer eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Isolierschicht (19, 22) elektrisch isoliert ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierschicht (19, 22) ein zwischen dem Grundteil (11) und dem Halbleiterkörper (13) in in Sperrichtung geschalteter weiterer Halbleiterkörper (22) verwendet ist und daß der Halbleiterkörper (13) und der weitere Haibleiterkörper (22) gegeneinander gepolt sind (Figur 3).
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierschicht (19, 22) ein auf das Grundteil (11) aufgebrachter Nichtleiter (19) verwendet ist (Figur 2).
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Nichtleiter (19) eine Schicht aus einem Aluminiumoxyd und/oder einem Silikonöl dient.
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Halbleiterkörper (13, 22) mit dem zugehörigen Anschlußleiter (15, 21) verlötet ist.
  6. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Halbleiterkörper (13, 22) auf einen einzigen Grundteil (11, 25) angeordnet sind (Figuren 4 bis 9).
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 5 mit wenigstens einer Diode als Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anzahl von Dioden (13) mit ihrer p-Schicht und eine zweite Anzahl von Dioden (13) mit ihrer n-Schicht an einem einzigen Grundteil (11, 25) anliegen (Figur 4).
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 5 mit wenigstens einer Diode als Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anzahl von Dioden (13) über einen Nichtleiter (19) isoliert und eine zweite Anzahl von Dioden (13) in bekannter Weise direkt an einem einzigen Grundteil (11, 25) anliegt (Figuren 5 und 8).
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5 mit Dioden als Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anzahl von weiteren Dioden (22) mit ihrer p-Schicht und eine zweite Anzahl von weiteren Dioden (22) mit ihrer n-Schicht an einem einzigen Grundteil (11, 25) anliegen (Figur 6).
  10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5 mit Dioden als Halbleiterkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anzahl von Dioden (13) über weitere Dioden (22) isoliert und eine zweite Anzahl von Dioden <13) in bekannter Weise direkt an einem einzigen Grundteil (11, 25) anliegen (Figur 7).
  11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl gleich drei und die zweite Anzahl gleich drei ist und das die Dioden in an sich bekannter Art als Drehstrom-Brückengleichrichter geschaltet sind (Figuren 4 bis 7 und 9).
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 6 mit Dioden als Halbleiterkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß sechs mittels weiteren Dioden (22) isolierte Dioden (13) verwendet und in an sich bekannter Weise als Drehstrom-Brückengleichrichter geschaltet sind (Figur 9).
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß drei der Dioden (13) als Plusdioden und drei der übrigen weiteren Dioden (22) als Minusdioden geschaltet sind (Figur 9a).
  14. 14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß drei der Dioden (13) als Plusdioden und die übrigen drei Dioden (13) als Minusdioden geschaltet sind (Figur 9b).
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Anschlußleiter (15) der an den drei übrigen weiteren Dioden (22) angeordneten Dioden (13) als Ausgänge für Steuersignale vorgesehen sind (Figur 9c).
  16. 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die drei freien Anschlußleiter (15) zu einem einzigen Steuerausgang (K) zusammengefaßt sind.
  17. 17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitervö;per (13) steuerbare Gleichrichter verwendet sind.
  18. 18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundteil (11) in eine Kühlplatte (17) eingesetzt ist.
  19. 19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundteil (11) und eine Kühlplatte (17) einstückig als Kühlkörper (25) ausgebildet sind.
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