CH416844A - Halbleiteranordnung mit Kühlkörper - Google Patents

Description

  Halbleiteranordnung     reit        Kühlkörper       Die vorliegende Erfindung betrifft eine     Halbleiter-          anordnung    mit     Kühlkörper,    insbesondere Halbleiter  ventile grosser Leistung, wie Dioden,     Thyristoren,     Halbleiterschalter (wie     Tecnetron),    Transistoren und  dergleichen, bei weichen die in den Halbleiterschich  ten produzierte grosse     Wärme    an das Kühlmedium  (Luft, Öl usw.) ohne     allzugrosse    Temperaturdifferen  zen übergeführt werden muss.  



  Die erfindungsgemässe Halbleiteranordnung mit  Kühlkörper ist dadurch gekennzeichnet,     dass    der       Kühlkörper    aus einem massiven Teil besteht, dessen  Dimensionen parallel zu den Halbleiterschichten der  Halbleiteranordnung mindestens doppelt so gross  sind, wie der Durchmesser der Halbleiterschichten,  dass ferner seine Dimension in Richtung der Norma  len     zu    den Halbleiterschächten mindestens gleich dem  Radius der Halbleiterschichten ist, dass er ferner       stabförmige    oder     lamellenförmige    Kühlflächen besitzt  und dass er mit .dem     Halbleiterventil    zwecks gutem  Wärmeübergang zusammengepresst ist.

   Der Wärme  kontakt zwischen den Halbleiterschichten und dem  Kühlkörper wird     ialso    durch Pressen hergestellt, was  sich     vorteilhafter    als Löten erwiesen hat, da das  Lot zur     Rekristallisierung    neigt und damit seine       mechanische    Festigkeit verliert.  



  An Hand der     beliegenden    Zeichnung werden  Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise er  läutert. Es zeigen:       Fig.    1 eine erste Ausführungsform im Schnitt,       Fig.2    eine Vorderansicht ,der ersten Ausfüh  rungsform,       Fig.3        eine        zweite        Ausführungsform    im     Schnitt,          Fig.4    ,im Schnitt mehrere in Serie     geschaltete     Kühlkörper,       Fig.    5 eine Vorderansicht der Ausführungsform  gemäss     Fig.    4,         Fig.    6 ,

  eine Aufsicht auf verschiedene Formen der       stab-    oder     lamellenförmigen    Kühlflächen,       Fig.7    einen Schnitt durch eine andere Aus  führungsform.  



  Das in     Fig.    1 dargestellte Halbleiterventil 1 setzt  sich meistens aus mehreren p- und     n-leitenden    Schich  ten wie     Germanium,    Silizium,     Siliziumkarbid    usw.  zusammen, in welchen zufolge des .Stromdurchganges  Verlustwärme entsteht. Da der Durchmesser D .die  ser Halbleiterschichten relativ klein ist,     (D   <I>= 10,</I>  20, 30 mm     bespielsweise),    muss :die Verlustwärme  bei einem möglichst geringen     Temperaturgefälle    über  einen Kühlkörper 7 an eine grosse Kühlfläche 8 über  führt werden, wo sie .dann an das Kühlmedium über  geht.  



  Die Halbleiterpille 1     (Fig.    1) ist zunächst von  2 voluminösen Metallkörpern 2 bzw. 3 aus     Molyb-          dän,    Kupfer usw. umgeben. Alle 3 Teile     befinden    sich  in einer hermetisch abgeschlossenen Zelle, welche  aus 2     membranartigen    Metallteilen 4 bzw. 5 und  einem Isolator 6 besteht. Letzterer kann aus Glas  oder     Keramik    bestehen, welche     Stoffe    mit den Mem  branen 4 und 5 verlötet oder verschmolzen sein  können.

   Der Kontakt zwischen den Halbleiterschich  ten, den Metallkörpern 2 bzw. 3 sowie ,den Mem  branen 4 bzw. 5     wird    durch Pressen     erzeugt.    In  gewissen Fällen können die Metallteile 2 und 3 auch  fehlen, dann werden die Teile 4 und 5     direkt    ;auf die  Pille 1 gepresst.  



  Die Halbleiterzelle ist zwischen 2 massive Kühl  körper 7 bzw. 9 gepresst, welche ,die Verlustwärme  Q an     die        Kühlrippen    8 bzw. 10 weiterleiten. Die  Kühlkörper weisen einen massiven Teil 7 bzw. 9  auf, der prismatisch oder zylindrisch ausgebildet ist  und dem Wärmestrom von .der Zelle zu den Kühlflä  chen     ,einen    sehr grossen Querschnitt bietet. Dieser       prismatische    Körper hat parallel zu den Halbleiter-           schichten    die Dimensionen<I>a</I> und<I>b</I> nach     Fig.    2 und  5 und in Richtung der Normalen n     zu    den Halbleiter  schichten die Dicke c nach     Fig.    1.  



  Das Volumen<I>a, b,</I> c wird zweckmässig sehr gross  gewählt im Vergleich zum Volumen der Pille 1,  um dem     Wärmefluss    Q in     Fig.    1 einen grossen Quer  schnitt zu bieten. Das Volumen<I>a, b,</I> c wird zudem  vorzugsweise absichtlich gross     gewählt,    um eine grosse,       thermische    Zeitkonstante zu erhalten. Diese ist bei  Überlastungen sehr wichtig.

   Die     Dimensionen    a und  <I>b</I> werden grösser als der doppelte Durchmesser<I>D</I>       gewählt,        also   <I>a > 2D</I> und<I>b > 2D.</I> Von besonderer  Bedeutung ist die Dicke c, da sie .den Querschnitt für  den     Wärmestrom    Q festlegt. c soll     mindestens    gleich  dem     Radius.    0,5 D der     Halbleiterschichtensein,    vor  zugsweise sogar     gleich    oder grösser als D.  



  Die     Kühlflächen    8 bzw. 10 in     Fäg.    1 können als       einzelne    Stäbe,     Drähte    oder Lamellen ausgebildet  sein, welche unter sich gegenüber dem Luftstrom  versetzt sind, wodurch     die    Strömung stark turbulent  und der Wärmeübergang sehr     gut        wird.    Die Stäbe  können einen runden, ovalen oder     länglichen    Quer  schnitt aufweisen.     Vorteilhaft    wird der Grundkörper  7 mit den     stabförmigen    Körpern 8 in einem Stück  gegossen. Besonders geeignet ist     hiefür    das Spritz  gussverfahren.

   Als Material     kommen    vorwiegend       Aluminiumlegierungen    in Frage. Besonders charak  teristisch für die beschriebene Ausführungsform sind  der grosse Basiskörper<I>a, b,</I> c sowie die     stabförmigen     Kühlflächen 8, welche     bekanntlich        .einen    sehr guten       Wärmeübergang    an das Kühlmedium     aufweisen.    Um  eine genügende Zahl von     Stäben,8    auf dem massiven  Teil 7 anbringen zu können, muss die 3.     Diemension    c  genügend gross sein.  



  Im allgemeinen wird man 2 nahezu oder ganz       symmetrische    Kühlkörper 7 und 9 verwenden, zwi  schen welche die     Halbleiterzelle    gepresst     wird.    Es  ist auch möglich, nach     Fig.    4 gleichzeitig 2 einander  gegenüberliegende Halbleiterzellen zusammenzupres  sen, welche     elektrisch        ein        gemeinsames    Potential       aufweisen.    Der     mittlere        Kühlkörper        wird:

      dann     zweck-          mässig    doppelt so dick     gewählt    wie die beiden äusse  ren, also     c2    = 2 cl.  



       Grundsätzlich    lassen sich nach     Fig.    6 auch meh  rere Halbleiterzellen durch dieselbe Spannvorrichtung  zusammenpressen,     indem    man die     Kühlkörper    ge  gebenenfalls elektrisch voneinander isoliert. Man er  hält so z. B.     für    jede     Transformatorphase    einen       kompakten    Block, ,an welchem man gleichzeitig die  Sicherungselemente für Überströme und     überspan-          nungen    anbringen kann.     Hiedurch    wird die Montage  sehr vereinfacht.  



  Die Richtung des     Kühlmittelstromes,    insbeson  dere des     Luftstromes,        kann    parallel oder senkrecht  zur Normalen n der Halbleiterschichten verlaufen. In  den     Fig.    3 und 4 verläuft die Luftgeschwindigkeit v  parallel zu n, wodurch die     Serieschaltung    vieler  Kühlkörper im     Kühlmediumstrom        möglich        wird.    Dies  ist durchaus     zweckmässig,

      da die Temperaturerhö  hung der Luft beim Durchgang durch     einen    Kühlkör-    per     meistens    gering     is%        gegenüber    dem Temperatur  sprung an den Kühlflächen.     Fig.    6 zeigt den Fall,  wo v senkrecht zu n steht, dies ist dann besonders       interessant,        wenn        man.    den     Luftstrom        über        die    län  gere Seite a von     Fig.    5     streichen        1'ässt.     



  Bei Dioden     kann    der elektrische Strom direkt  am Kühlkörper abgenommen werden. Sind Steuer  elektroden vorhanden, welche geringe Ströme führen,  z. B. bei Leistungstransistoren und     Thyristoren,    so  müssen deren     Ströme    isoliert durch die Zelle hin  durchgeführt werden, wie     Fig.    3 zeigt. In die Mem  bran 5 der Zelle ist dort ein kleiner Isolator 20 ein  gesetzt, durch welchen der Stromleiter 2:1 für einen  Steuerstrom von der zugehörigen Halbleiterschicht  nach aussen geführt     wird.    Dazu muss im Kühlkörper  eine besondere Bohrung vorgesehen werden. Der  Isolator 20 kann zentrisch oder .exzentrisch an der  Membran angebracht sein.

   Sind mehrere Steuerelek  troden vorhanden, so können mehrere Bohrungen  im Kühlkörper vorgesehen werden.  



  Zu den     Fig.    2 bis 6 sind noch folgende Bemer  kungen zu machen.  



  In     Fig.    2 ist der massive Teil des Kühlkörpers  prismatisch, die beiden Dimensionen<I>a</I> und<I>b</I> sind  grösser     als    der     dbppelte        Wert    2D der     Siliziurruschich-          ten.    Die     Kühlflächen    8 bestehen aus     Drähten.    In       Fig.    3 ist die dritte Seite cl der beiden Kühlkörper  7 und 9 etwas grösser als ,der Durchmesser D der       Siliziumschichten    (von     Fig.    2).

       Fig.4    zeigt 2 Halb  leiterzellen 5, welche zwischen die 3     Kühlkörper     7, 9 und 11 gepresst sind. Dabei ist die Dicke     c2     des Körpers 9 doppelt so gross, wie die Dicken     c1     der Körper 7 und 11. Die     Kühlflächen    8, 10 und  12 bestehen aus     gutleitenden    Drähten. In den     Fig.    3  und 4 ist die Strömungsgeschwindigkeit v des     Kühl-          mittels    parallel zur Normalen n zu den Halbleiter  schichten. Die beiden Halbleiterzellen 5 von     Fig.    4  müssen ein gemeinsames     Potential    aufweisen.  



  In     Fig.    5 befinden sich die     stabförmigen    Kühl  flächen 8 auf .der Längsseite a des massiven, prismati  schen Teiles des Kühlkörpers. Hier     äst   <I>b = 2 D</I>  und<I>a > 2 D</I>     mit   <I>D</I> als Durchmesser der Silizium  scheiben. Das Kühlmittel strömt längs der Längs  seite a zwischen den     stabförmigen    Körpern 8 hin  durch.  



  In     Fig.    6 sind mehrere, auf dieselben     Pressbolzen     montierte Körper 7 dargestellt. Die     stabförmigen     Kühlkörper 8 können einen runden, ovalen,     rhom-          boiden    oder ähnlich, strömungstechnisch, zweck  mässig geformten Querschnitt aufweisen oder auch  als Lamellen :ausgebildet     sein.    Die Strömungsge  schwindigkeit v steht hier senkrecht zur Normalen n  zu :den Halbleiterschichten.  



  In vielen     ,Fällen        wird    v parallel zu der Längs  fläche a des prismatischen massiven Teiles des     Kühl-          körpers    gerichtet     sein,    v kann jedoch auch schief  zu     diesen    Flächen stehen, was Vorteile bieten     kann     beim Einbau der     Kühlkörper    in Schaltschränke. Diese       können    z.

   B.     in    einer     Diagonalebene    der Schalt  schränke angeordnet sein, während die Luft vertikal      durch den Schaltschrank     hindurchtritt.    Es kann sich  dabei um     natürliche    oder forcierte     Kühlung    handeln.  



  Gemäss     Fig.    7 sind zwei Halbleiterventile 5 ne  beneinander zwischen zwei Kühlkörpern 7, 9 ange  ordnet.     Natürlich    müssen beide Ventile 5 am     gleichen     Potential     liegen.     



  Die beschriebenen Kühlkörper     stellen        einen    be  deutenden, technischen Fortschritt dar. Sie ergeben  sehr geringe     Temperaturdifferenzen    zwischen den       Halbleiterschichten    und dem     Kühlmedium.    Sie las  sen sich ferner sehr gut zu soliden Gruppen oder  Blöcken kombinieren und in Schaltschränke ein  bauen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Halbleiteranordnung mit Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper aus einem mas siven Teil besteht, dessen Dimensionen parallel zu den Halbleiterschichten der Halbleiteranordnung min destens doppelt so gross sind, wie der Durchmesser der Halbleiterschichten, dass ferner seine Dimension in Richtung der Normalen zu den Halbleiterschichten mindestens gleich dem Radius der Halbleiterschich ten ist,

   dass er ferner stabförmige oder Iamellen förmige Kühlflächen besitzt und dass er mit dem Halbleiterventil zwecks gutem Wärmeübergang zu sammengepresst ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da .durch gekennzeichnet, dass die Dimension des mas siven Teiles in Richtung der Normalen zu den Halb- leiterschichten mindestens gleich dem Durchmesser .der Halbleiterschichten ist. 2. Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordnung als elektrisches Ventil ausgebildet ist und zwei gleiche Kühlkörper aufweist, zwischen welchen das Halb- leiterventil zusammengepresst ist. 3.

   Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der massive Teil des Kühlkörpers Bohrungen zur Aufnahme von Steuer elektroden aufweist. 4. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass .die Bohrung zur Auf nahme der Steuerelektrode zentral angeordnet ist. 5. Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der massive Teil des Kühlkörpers mindestens zwei Flächen aufweist und die Halbleiteranordnung :aus mindestens zwei ver schiedenen Halbleiterventilen besteht, welche gegen die genannten Flächen gepresst sind.

   6. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiter ventile nebeneinander am Kühlkörper angeordnet sind. 7. Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da- dürch gekennzeichnet, dass er mit Bezug auf die auf der Längsachse der Halbleiteranordnung senkrecht stehende Mittelebene spiegelsymmetrisch ausgebildet ist,

   damit er zusammen mit einer Vielzahl gleicher Kühlkörper und einer Vielzahl von unter sich gleichen Halbleiteranordnungen in Serie zusammenbaubar ist.