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HALB LEITERANORDNUNG
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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der wenigstens
zwei Halbleiterbauelemente mit ihren Stromleiterteilen in einem Gehäuse aus metallischer
Bodenplatte und einem mit einem Deckel verschlossenen Isolierstoffoberteil, auf
der Bodenplatte elektrisch isoliert und thermisch leitend befestigt, untergebracht
und in Isolierstoffmasse eingebettet sind.
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Es sind zahlreiche Halbleiteranordnungen auf dem Markt, bei denen
eine schaltungsbedingte Anzahl von verkapselten oder unverkapselten Gleichrichterelementen
einer elektrischen Schaltung in einem aus Bodenplatte oder Becherkörper und aus
Gehäuseoberteil, teilweise mit Deckel, bestehenden Gehäuse untergebracht und zusätzlich
in Isolierstoffmasse eingebettet ist. Im Falle der Verwendung von metallischen Gehäuseunterteilen
sind die Gleichrichterelemente über eine Isolierfolie oder eine elektrisch isolierende
Zwischenscheibe mit der Bodenplatte oder dem Becherkörper thermisch kontaktiert
Aus der DE-OS 27 28 313 ist eine Gleichrichter-Baueinheit bekannt, bei der zwei
Gleichrichterelemente in einem gestreckten Gehäuse elektrisch isoliert auf einer
metallischen Bodenplatte befestigt sind.
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Das Gehäuseoberteil ist mit einem Deckel verschlossen, der schlitzförmige
Öffnungen zur Durchführung der Enden der gehäuseinneren Stromleiterteile an die
Gehäuseoberfläche aufweist und zusätzlich mit Einpreßmuttern versehen ist, auf welche
die Enden der Leiterteile zur Verbindung mit äußeren Ans chlußl eitern umgeklappt
sind.
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Die bekannten Ausführungsformen zeigen teilweise eine Reihe von Nachteilen.
So ist bei elektrisch isolierter Anordnung der Halbleiterbauelemente über eine Isolierfolie
auf der Bodenplatte der Durchgang der Verlustwärme nicht immer ausreichend und dadurch
die Strombelastbarkeit eingeschränkt. Weiter machen die Ausbildung der Gehäuseteile
und das Anbringen der Halbleiterbauelemente aufwendige Verfahrensschritte notwendig,
und die Teile eignen sich nicht immer für einen Zusammenbau in Massenfertigung.
Dann sind bei Verwendung von steuerbaren Gleichrichtern zusätzlich aufwendige Maßnahmen
zum Anbringen, zum Führen und zum Kontaktieren der Steuerleitungen erforderlich.
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Weiter haben die Temperaturprozesse bei der Herstellung der bekannten
Anordnungen teilweise unerwünschte Formänderungen der Bodenplatte zur Folge, wodurch
auch die Verbindung derselben mit dem Gehäuseoberteil beeinträchtigt wird. Ferner
erfordert das Herstellen der elektrischen Schaltung der Halbleiterbauelemente nach
deren Anbringen auf der Bodenplatte zusätzliche, zeitaufwendige Verfahrensschritte.
Dann sind bei Gehäuseoberteilen mit Deckel zur Anordnung und Befestigung von Stromleiterteilen,
z.I3. abgewinkelt er Enden der gehäuseinneren Stromleiter, besondere Verfahrensschritte
notwendig mit dem Risiko höherer Ausfallraten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile
zu vermeiden. Es soll daher eine Halbleiteranordnung angegeben werden, bei der die
Ausbildung
und die gegenseitige Anordnung von Bauteilen eine wirtschaftliche Massenfertigung
ermöglicht, das thermische Betriebsverhalten durch einwandfreien uebergang der Verlustwärme
optimiert ist, auch bei Verwendung steuerbarer Gleichrichterelemente ein kostengünstiger
Zusammenbau mit rationeller Anordnung der Steuerleitungen gewährleistet ist, eine
einwandfreie Langzeitverbindung der Gehäuseteile auch bei wechselnden Betriebstemperaturen
sichergestellt ist, die elektrische Schaltung der Ilalbleiterbauelemente im Gehäuse
mit geringstem Aufwand erfolgt und auch die Anordnung der gehäuseäußeren Stromleitungsanschlüsse
in verfahrenstechnisch günstigster Weise erzielbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß als Bodenplatte
ein in gewünschter Ausgestaltung herstellbarer Leichtmetallkörper vorgesehen ist,
der einen lötfähigen, metallischen Überzug aufweist, daß die Bodenpiatte durch Löten
mit einer elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Zwischenscheibe fest verbunden
ist, daß Gehäuseoberteil und Bodenplatte in ihrem zum Zusammenbau vorgesehenen Bereich
zur gegenseitigen Halterung geeignet ausgebildet sind, daß der im kappenförmigen
Gehäuseoberteil angebrachte Deckel zur nurchfiihrung von Kontaktfahnen vorgesehen
und zur Befestigung durch Einrasten geeignete Ausbildungen aufweist, daß das Gehäuseoberteil
neben der Öffnung für den Gehäusedeckel Durchbrüche zum Durchgang der gehäuseäußeren
Enden der Stromleiterteile aufweist, daß wenigstens ein gehäuseinnerer Abschnitt
wenigstens eines Stromleiterteils als Trägerkörper einer Halbleitertablette auf
der Zwischenscheibe befestigt und, bei entsprechender elektrischer Schaltung, mit
einer weiteren Halbleitertablette kontaktiert ist, daß wenigstens ein Stromleiterteil
im Gehäuseinneren als Tragteil für wenigstens
einen Isolierstützpunkt
einer durch den Gehäusedeckel geführten Kontaktfahne ausgebildet und angeordnet
ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in
den Ansprüchen 2 bis 17 angegeben.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele
wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Figur 1 zeigt als Explosionszeichnung
perspektivisch den Aufbau des Gehäuses, Figur 2 zeigt in Vorderansicht die Anordnung
der Halbleiterbauelemente mit ihren Anschlußbauteilen auf der Gehäusebodenplatte#,
und in Figur 3 ist die Unterbringung von Xontaictfahnen in Isolierstützpunkten zur
Befestigung und Kontaktierlmg von Steuerleitungen dargestellt. Für gleiche Teile
sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
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Gemäß Figur 1 weist die zur Auflage auf einem Kühlbauteil vorgesehene,
metallische Bodenplatte 1 auf ihrer Oberseite eine Randeinfassung 13 und eine von
dieser umschlossene, rillenförmige Vertiefung 12 zur Aufnahme der angepaßt ausgebildeten
Randzone des Gehäuseoberteils 2 und eine großflächige Innenzone 15 zum Anbringen
der Schaltung der Halbleiterbauelemente auf. An den beiden Schmalseiten der Innenzone
15 der beispielsweise rechteckförmigen Bodenplatte 1 ist je eine Durchbohrung 16
zur Durchführung eines Befestigungselements vorgesehen.
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Zur elektrisch isolierten Anordnung der Halbleiterbauelemente auf
der Bodenplatte 1 dient eine auf der Innenzone 15 aufgebrachte, thermisch gut leitende
Zwischenscheibe 4, vorzugsweise aus Oxidkeramik.
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Die Bodenplatte 1 ist aus Leichtmetall, vorzugsweise aus einer Leichtmetall-Legierung,
z.B. aus einer AlMg-Legierung, und im Druckguß hergestellt. Sie ist
entweder
mit einem Lotmetall, z.B. mit Zinn, beschichtet oder durch stromloses oder galvanisches
Metallplattieren mit einem lötfähigen Metallüberzug, z.B.
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aus Nickel, Silber, Palladium, versehen. Gehäuseoberteil 2 und Bodenplatte
1 sind mittels eines Klebers gegenseitig fest verbunden.
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Die Randeinfassung 13und die Innenzone 15 können gleiche Bauhöhe aufweisen.
Jedoch kann die Randzone 13 auch über die Innenzone 15 vorstehen.
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Zur Erhöhung der Spannungsüberschlagsfestigkeit zwisehen der Bodenplatte
1 und der elektrischen Schaltung der Halbleiterbauelemente kann die Bodenplatte
auf der Oberfläche der Innenzone 15 einen tafelförmigen Aufsatz 18 aufweisen, auf
welchem die Zwischenscheibe 4 vorzugsweise durch Löten befestigt ist.
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Hierfür sind hoch bleihaltige lfeichlote, z.B. Blei-Zinn-Silberlote,
vorgesehen.
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Die Bodenplatte 1 kann, wie dies in einer Nebendarstellung in Figur
1 gezeigt ist, auch lediglich beiderseits plan ausgebildet sein (11) und eine Randeinfassung
14 zur Aufnahme und Halterung des Gehäuseoberteils durch Einstecken aufweisen. Dabei
kann aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit des gewählten Materials die Bodenplatte
in der Innenzone 11 sehr dünn ausgebildet sein.
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Aber auch die Unterteilung der Bodenplatte in die Innenzone 15 mit
dem Aufsatz 18 und in eine Randzone 13 mit zwischenliegender Vertiefung 12 stellen
zusammen mit der hohen mechanischen Festigkeit des Materials sicher, daß auch bei
relativ geringer Materialstärke keine Verwölbung der Bodenplatte im Fertigungsablauf
auftritt. So haben die Randzone 13 und der mit dem Aufsatz 18 versehene Teil der
Innenzone 15 z.B.
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eine Bauhöhe von 6 mm, der restliche Teil der Innenzone 15 eine Bauhöhe
von 5 mm.
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Die Durchbohrungen 16 in der Bodenplatte 1 können als Langloch ausgebildet
sein und außerdem auf der Oberseite in eine ringförmige Erhöhung 17 mit vorzugsweise
gleicher Bauhöhe wie die Randzone 13 münden.
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Diese Erhöhung 17 erstreckt sich durch eine entsprechend ausgebildete
Durchbohrung des Gehäuseoberteils 2 bis zur entsprechenden Oberfläche, sodaß bei
Befestigung der Anordnung, z.B. auf einem Chassis, die Befestigungselemente, z.B.
Schrauben, auf die Bodenplatte in gleicher Weise wirken wie auf das Gehäuseoberteil
und das Letztere insbesondere bei wechselnder Betriebstemperatur nicht unzulässig
beansprucht wird.
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Das Gehäuseoberteil 2 ist im wesentlichen käppenförmig ausgebildet
und in dem der Bodenplatte 1 zugewandten Randbereich auf die Randeinfassung 13 und
dabei mit einem stegförmigen, nicht dargestellten Ansatz in die Vertiefung 12 der
Bodenplatte 1 eingreifend aufgesetzt.
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Das Gehäuseoberteil ist aus einer isolierstoffpreßmasse gefertigt.
An seiner Oberseite weist es eine Öffnung 21 und an gegenüberliegenden Wandseiten
je eine Einbuchtung 22 mit an der unteren Gehäusekante jeweils abschließender Befestigungsplatte
23 auf, die mit einer Durchbohrung 24 zum Eingriff der Erhöhung 17 der Bodenplatte
1 versehen ist. Anstelle der Einbuchtungen 22 können auch flanschförmige Vorsprünge
vorgesehen sein, die mit entsprechend ausgebildeten Vorsprüngen der Bodenplatte
übereinstimmen.
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Beiderseits jeder Einbuchtung 22 ist jeweils die Anbringung des Endes
eines aus dem Gehäuseoberteil 2 herausgeführten Stromleiterteils 52 der Halbleiteranordnung
vorgesehen. Das ist nach I lediglich mit Hilfe einer schlitzförmigen Aussparung
25 zum Durchtritt des Leiterteilendes und durch Abwinkeln dieses Endes zur Auflage
auf der Gehäuseoberseite über einer
Einpreßmutter erreichbar.
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Das ist weiter nach II mit Hilfe einer in der Gehäuseoberseite angebrachten
flachen Vertiefung 26 erreichbar, in welche das wieder durch eine schlitzförmige
Aussparung geführte Ende umgeklappt und passend über einer Einpreßmutter 27 angeordnet
ist.
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Eine andere, besonders vorteilhafte Lösung zur Anbringung der Stromleiterteilenden
besteht gemäß III darin, daß die Gehäuseoberseite großflächige Aussparungen 28 aufweist,
die der vorgesehenen abgewinkelten Fläche des Leiterteilendes angepaßt sind und
sich über die Gehäusekante in die angrenzende Wandseite erstrecken. Wie dargestellt,
ist die Flächenausdehnung der Aussparungen 28 im wesentlichen rechteckförmig, und
deren zur zentralen Öffnung 21 parallele Kante ist stufenförmig abgesetzt ausgebildet
(2Sb) zur Führung des senkrecht zur Gehäuseoberfläche verlaufenden Abschnitts des
Stromleiterteils. Dessen Ende 52 ist in diesem Fall bereits abgewinkelt durch die
Aussparung 28 geführt und durch einen Schieber 29 fixiert. Dieser ist, wie bei III
dargestellt, mit Hilfe von Führungsleisten 28a gegenüberliegender Begrenzungsflächen
der Aussparung 28 und von angepaßten Führungsnuten 29a entsprechender Seitenflächen
des Schiebers 29 unter das Stromleiterende 52 gesteckt bis zum Anschlag an die Abstufung
28b und durch Einrasten der geringfügig konischen Erhebung 29b seiner Unterseite
an der Gehäuseinnenwand befestigt. Eine Einpreßmutter 27 an der Oberseite des Schiebers
stimmt mit dem Loch im Stromleiterende 52 überein.
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Die vorzugsweise zentrale Öffnung 21 an der Oberseite des Gehäuseoberteils
2 ist nach Anordnung und Ausdehnung durch die einsatzbedingte Anordnung der Stromanschlüsse
52 bestimmt und weist zur Auflage des Gehäusedeckels 3 an ihrer Wandung leistenförmige
Erhebungen
21a auf.
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Der Gehäusedeckel 3 ist für eine versenkte Anbringung in die Öffnung
21 angepaßt ausgebildet. Seine feste Verbindung mit dem Gehäuseoberteil 2 ist durch
Einrasten der leicht federnden, im Querschnitt etwa das Profil der Ziffer eins aufweisenden
Fixierstücke 32 unter die Gehäuseinnenkanten der Öffnung 21 jeweils neben den leistenförmigen
Erhebungen 21a erreicht.
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Der ebenfalls als Kunststoffpreßteil gefertigte Dekkel 3 enthält Ausnehmungen
31 zum Durchtritt von Steuerleitungsanschlüssen an die Gehäuseoberfläche.
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Die Ausnehmungen können auch das Ende von in dem Dekkel 3 gebildeten,
rohrförmigen Einsätzen 33 sein, die mit ihrem gehäuseinneren Ende in die Einbettmasse
der Anordnung eintauchen und somit jeweils eine völlig getrennte und isolierte Führung
je einer Steuerleitung der Schaltung der Halbleiterbauelemente zur Gehäuseoberfläche
gewährleisten.
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Das Gehäuseoberteil 2 kann beliebige Volumenform haben.
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Zwecks platzsparender Anordnung und schaltungstechnisch günstiger
Zuordnung zu weiteren Vorrichtungen ist jedoch die quader- oder Würfelform bevorzugt.
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In Figur 2 ist in Vorderansicht der Schaltungsaufbau auf der Bodenplatte
1 gezeigt. Deren Aufsatz 18 auf der Innenzone 15 trägt auf der Zwischenscheibe 4
eine Schaltung 5, z.B. aus Gleichrichterelementen. Diese besteht aus den Stromleiterteilen
51 bis 53, aus den Halbleiterkörpern 54, den oberen Kontaktstücken 55 mit oberem
Stromleiter 56 sowie, bei steuerbaren Halbleiterbauelementen, aus den Isolierstützpunkten
57 mit Kontaktfahnen 58, an welchen das gehäuseinnere Steuerleiterteil 59 befestigt
ist.
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Das Stromleiterteil 51 besteht aus gehäuseäußerem Ende 51a zur Anordnung
auf einem Schieber 29 des Gehäuseoberteils
2, aus gehäuseinneren
Abschnitten 51b, 51c, zur Befestigung eines Halbleiterkörpers 54, und 51d zur Kontaiftierung
der unteren Elektrode eines ersten Halbleiterkörpers 54 mit der oberen Elektrode
eines weiteren Halbleiterkörpers 54. Das Stromleiterteil 51 bildet einen Wechselstromanschluß
für zwei Halbleiterkörper entsprechend der vorliegenden Darstellung. Weiter ist
das Stromleiterteil 52 entsprechend ausgebildet, jedoch ohne zusätzlichen Kontaktabschnitt
52d und bildet den einen Gleichstromanschluß. insoweit ist der Schaltungsaufbau
in seiner räumlichen Anordnung und Ausgestaltung bekannt.
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Erfindungsgemäß ist das den weiteren Gleichstromanschluß bildende
Stromleiterteil 53 mit einem schildförmigen, die Schaltung abdeckenden,im wesentlichen
parallel zur Zwischenscheibe 4 angeordneten Abschnitt 53b versehen, der sich zur
Wahrung ausreichender mechanischer Stabilität noch über einen Abschnitt 53c auf
einem isoliert angeordneten Lötstützpunkt der Zwischenscheibe 4 abstützt. Dieser
Leiterschild 53b weist nicht besonders dargestellte Aussparungen (Perforation) auf,
welche in ihrer gehäuseinneren Lage mit den Einsätzen 33 des Gehäusedeckels übereinstimmen,
und in welche aus Kunststoff bestehende Isolierstützpuhkte 57 eingesteckt, eingerastet
und in Isoliermasse eingebettet sind.
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In Figur 3 ist in Seitenansicht ein solcher Isolierstützpunkt mit
eingelegter Kontaktfahne 58 dargestellt. Der aus den beiden Teilen 571 und 572 bestehende
isolierstützpunkt bildet einen Klappverschluß für die Kontaktfahne 58. Diese ist
mit einem T-förmigen Abschnitt 58c in Längsrichtung in eine entsprechende Ausnehmung
des isolierstützpunktteils 571 eingelegt, und 574 bezeichnet die für den Querbalken
hierfür dienende Ausbildung. Durch Umklappen des
Teils 572 des
isolierstützpunkts ist die Kontaktfahne gehaltert (Darstellung mit unterbrochenen
Linien).
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Diese Teilekombination ist nun gemäß der Darstellung in Figur 2 in
eine Aussparung des Leiterschildes 53b eingesteckt und mit Hilfe der Ansätze 573
des Isolierstützpunktes eingerastet. An der Lötkontaktstelle 58b der Kontaktfahne
ist die Steuerleitung 59 befestigt. Bis zu diesem Niveau ist die Anordnung in Gießmasse
eingebettet.
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Das Leiterschild 53b ist so bemessen, daß für jedes der vorgesehenen
steuerbaren Halbleiterelemente ein Isolierstützpunkt angeordnet werden kann. Ein
Ansatz an diesem Schild 53b bildet das gehäuseäußere Leiterende 53a. Die gehäuseinneren
Leiterteile sind insbesondere im Bereich der Anordnung der Halbleiterkörper großflächig
bemessen zur Begünstigung des thermischen Betriebsverhaltens. Der Gegenstand der
Erfindung kann auch mit 6 Gleichrichterelementen ausgestattet sein.
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Die dann notwendigen 5 Stromleitungsanschlüsse werden dadurch erzielt,
daß ein Leiterende durch den Deckel 3 geführt und abgewinkelt angebracht ist. In
diesem Fall kann das Gehäuseoberteil 2 im Bereich der Öffnung 21, d.h. angrenzend
an die Stromleitungsanschlüsse 52, tafelförmig erhöht ausgestaltet sein.
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Bei der Herstellung einer Gleichrichteranordnung nach der Erfindung
werden auf der oberen Fläche der Bodenplatte 1, z.B. auf ihrem Aufsatz 18, die isolierte
Zwischenscheibe 4 und darauf die Leiterteile 51 bis 53 mit den entsprechend der
vorgesehenen Schaltung zwischengefügten Halbleiterkörpern 54 mittels einer Vorrichtung
gestapelt, gehaltert und in einem Lötprozeß sämtlich kontaktiert und geschaltet.
Anschließend werden in Aussparungen des Leiterschildes 53c je ein Isolierstützpunkt
eingesteckt und gerastet.
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Die Kontaktfahnen 58 sind zuvor in den Isolierstützpunkt
eingebracht
worden. Damit sind Stützpunkte und Kontaktfahnen fest angeordnet. In der einfachen
Ausgestaltung und Unterbringung der Kontaktfahne in ihren Stützpunkten liegt ein
wesentlicher Vorteil zu der überraschend einfachen und wirtschaftlichen Massenfertigung
einer solchen Halbleiteranordnung.
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Danach werden die Steuerleitungen 59 an den Kontaktfahnenarmen 58b
befestigt. Anschließend wird das Gehäuseoberteil 2 aufgesetzt und mit der Bodenplatte
1 durch Kleben fest verbunden. Ferner werden die Schieber 29 eingesteckt und schließlich
wird die Schaltung in Isolierstoffmasse eingebettet und der Deckel 3 wird aufgedrückt.
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Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung bestehen darin, daß beliebige
Halbleiterschaltungen bei voller Zugänglichkeit der Bauteile auf der Bodenplatte
1 erstellbar sind, daß keinerlei Verdrahtung der Steuerleitungen erforderlich ist,
daß schaltungsunabhängig durch Vorbehandlung und optimal angepaßte Ausgestaltung
der Bauteile sowie durch deren einfachste gegenseitige räumliche Zuordnung ein überraschend
wirtschaftlicher Zusammenbau möglich ist.