CH629337A5

CH629337A5 - Semiconductor arrangement with improved cooling capacity

Info

Publication number: CH629337A5
Application number: CH167178A
Authority: CH
Inventors: Petr Novak; Michal Pellant; Jaroslav Zuna; Jindrich Kratina; Pavel Reichel; Pavel Kafunek
Original assignee: Ckd Praha
Priority date: 1977-02-18
Filing date: 1978-02-15
Publication date: 1982-04-15
Also published as: PL204736A1; CS190866B1; PL115317B2; SE7714533L; DE2758166C2; SE437587B; DE2758166A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Halbleiteranordnung, bei der ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit Stirnflächen an zwei zugleich als Kühlkörper dienenden und mit Kühlkanälen versehenen Hauptelektroden anliegt, bei der an den jeweils aus zwei dicht miteinander verbundenen Elektrodenteilen bestehenden Hauptelektroden ein gemeinsamer Isolierring mittels seiner Armaturen angebracht ist. The invention relates to a semiconductor arrangement in which a power semiconductor component with end faces rests on two main electrodes which also serve as heat sinks and are provided with cooling channels, and in which a common insulating ring is attached by means of its fittings to the main electrodes each consisting of two closely connected electrode parts.

Zur Zeit werden überwiegenderweise Leistungs-Halbleiter-bauelemente hergestellt, bei welchen sich zwischen zwei Elektroden unter Anpresskraft ein Halbleitersystem befindet, welches mit den angeführten Elektroden in Gleitkontakt ist. Um die Abführung der Verlusiwärme aus dem Halbleitersystem zu ermöglichen, liegen an den äusseren Oberflächen Glieder für die Wärmeableitung - die Kühlkörper - an. Falls notwendig, kann durch diese zur Wärmeableitung bestimmten Glieder ein Kühlmittel wie z. B. Wasser, Öl u. ä. zirkulieren. Power semiconductor components are predominantly currently manufactured in which a semiconductor system is located between two electrodes under contact pressure, which is in sliding contact with the electrodes mentioned. In order to enable the dissipation of the heat of dissipation from the semiconductor system, there are links on the outer surfaces for heat dissipation - the heat sinks. If necessary, a coolant such as e.g. B. water, oil and. circulate.

Bei den oben angeführten Halbleiterbauelementen sinkt der Wärmekontaktwiderstand auf der Kontaktoberfläche, auf welcher der Elektrodenblock mit dem zur Wärmeableitung bestimmten Glied in Kontakt ist, nicht unter eine bestimmte Grenze, denn die äussere Oberfläche des Elektrodenblockes ist mit dem zur Wärmeableitung bestimmten Glied, welches getrennt vom Elektrodenblock geschaffen wurde, nur in Druckkontakt. Daraus geht hervor, dass die Gegenwart des angeführten Kontaktübergangs eine Verschlechterung der Verlustwärmeableitung des Halbleiterbauelements zur Folge hat. Es ist deshalb die Beseitigung dieses Elektroden-Kontaktübergangs und des zur Wärmeleitung bestimmten Glieds wünschenswert. In the above-mentioned semiconductor components, the thermal contact resistance on the contact surface on which the electrode block is in contact with the heat dissipation member does not drop below a certain limit, because the outer surface of the electrode block is with the heat dissipation member which is separate from the electrode block was created only in pressure contact. It can be seen from this that the presence of the mentioned contact transition leads to a deterioration in the heat dissipation of the semiconductor component. It is therefore desirable to remove this electrode contact transition and the member intended for heat conduction.

Es sind bereits Konstruktionen von Leistungs-Halbleiter-bauelementen bekannt, bei denen der oben angeführte Kontaktübergang im Grunde eliminiert wurde. Bei diesen Bauelementen sind die Elektrodenblöcke mit Hohlräumen mit geeigneten geometrischen Raumformen versehen, beispielsweise mit Vorsprüngen, Stiften u. ä., die zur Zirkulation des Kühlmittels dienen, wobei diese Hohlräume mit elastischen Gliedern abgedichtet und mit einer Kappe verschlossen sind. Diese Konstruktionen sind vom Herstellungsstandpunkt aus relativ kompliziert und aufwendig, enthalten eine grössere Anzahl vom Komponenten und sind in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit nicht auf der gewünschten Höhe. There are already known designs of power semiconductor components in which the contact transition mentioned above was basically eliminated. In these components, the electrode blocks with cavities are provided with suitable geometric spatial shapes, for example with projections, pins and the like. Ä., Which serve to circulate the coolant, these cavities are sealed with elastic members and closed with a cap. These designs are relatively complex and expensive from a manufacturing standpoint, contain a larger number of components and are not at the desired level in terms of their reliability.

Die oben erwähnten Nachteile werden durch eine Halb-leiteranordnung nach Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die am Halbleiterbauelement anliegenden inneren Elektrodenteile jeder Hauptelektrode aus einer kreisförmigen Scheibe bestehen und dass an jedem äusseren Elektrodenteil ein seitlich vorspringendes Bauteil befestigt ist, an dem der Isolierring über die Armaturen angreift und dass alle Kühlkanäle in den äusseren Elektrodenteilen angeordnet sind. In einer besonderen Ausführungsart werden die Kühlkanäle an der inneren Stirnfläche jedes äusseren Elektrodenteils angeordnet und als konzentrische Ringkanäle ausgebildet, die über jeweils zwei senkrecht zur Stirnfläche verlaufendé Verbindungskanäle mit je einer einen Zulauf- und einen Ablauf-Kanal bildenden Zylinderbohrung verbunden sind, welche in einer zweiten zur Ebene der Kühlkanäle parallelen Ebene liegen. The above-mentioned disadvantages are solved by a semiconductor arrangement according to claim 1 in that the inner electrode parts of each main electrode which are in contact with the semiconductor component consist of a circular disk and that a laterally projecting component is fastened to each outer electrode part, to which the insulating ring is fastened via the fittings attacks and that all cooling channels are arranged in the outer electrode parts. In a special embodiment, the cooling channels are arranged on the inner end face of each outer electrode part and are designed as concentric ring channels, each of which is connected via two connecting channels running perpendicular to the end face, each with a cylinder bore forming an inlet and an outlet channel, which are connected in a second lie parallel to the level of the cooling channels.

Bei dieser Halbleiteranordnung wird der Kontaktübergang zwischen den Elektroden und den Kühlkörpern beseitigt. Das resultierende Bauelement ist durch seine Konstruktion herstellungstechnisch einfach und nützt in maximaler Weise die konventionellen, bereits bewährten Technologien aus, was sich in seiner gesteigerten Zuverlässigkeit spiegelt und ökonomisch von grossem Interesse ist. In this semiconductor arrangement, the contact transition between the electrodes and the heat sinks is eliminated. The construction of the resulting component is simple in terms of production technology and makes maximum use of conventional, already proven technologies, which is reflected in its increased reliability and is of great economic interest.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfin-dungsgemässen Halbleiterbauelements dargestellt. Es zeigen: In the drawing, an embodiment of the semiconductor device according to the invention is shown. Show it:

Fig. 1 eine Ansicht des Bauelements teilweise im Schnitt, 1 is a view of the component partially in section,

Fig. 2 eine Ansicht teilweise im Schnitt einer Hauptelektrode des Bauelements und Fig. 2 is a view partly in section of a main electrode of the component and

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2. 3 shows a section along the line A-A in Fig. 2nd

Das in Teilschnitt in Fig. 1 dargestellte Leistungs-Halb-leiterbauelement enthält ein beispielsweise in Gleitkontakt zwischen zwei Hauptelektroden des Bauelements befindliches Halbleitersystem 7. Das Halbleitersystem 7 wird einem Silizi-umplättchen mit mindestens einem PN-Übergang gebildet, wobei dieses Plättchen mit einer Versteifungsplatte aus Molybdän, gegebenenfalls aus Wolfram versehen sein kann. Die Hauptelektroden des Bauelements bestehen aus zwei hermetisch verbundenen Teilen 13,14 und 5,5', wobei die ersten an das Halbleitersystem 7 anliegenden Teile 13,14 von einer kreisförmigen Scheibe gebildet werden und die zweiten Teile 5,5' mit einem System von Hohlräumen 1,2,3 versehen sind. The power semiconductor component shown in partial section in FIG. 1 contains a semiconductor system 7 which is, for example, in sliding contact between two main electrodes of the component Molybdenum, optionally made of tungsten. The main electrodes of the component consist of two hermetically connected parts 13, 14 and 5.5 ', the first parts 13, 14 adjacent to the semiconductor system 7 being formed by a circular disk and the second parts 5.5' being formed by a system of cavities 1,2,3 are provided.

Die zweiten Teile 5,5' der beiden Hauptelektroden des Halbleiterbauelementes sind über den Umfang mit einem Vorsprung 4 versehen, mit welchem die Armatur 9 des keramischen Isolierringes 8 unlösbar, beispielsweise durch Schweis-sung, verbunden ist. Der über den Umfang verlaufende Vorsprung 4 kann den Teil des Ringes bilden, der auf den äusseren Umfang der zweiten Teile 5,5' der Hauptelektrode aufgeschoben und zuletzt angeschweisst (mit Schicht 15) ist, oder er kann direkt ein integrierter Teil der zweiten Teile 5,5' der Hauptelektrode sein. Der keramische Isolierring 8 kann mit einem Durchgangsröhrchen 11 für den Steuerelektrodenanschluss versehen sein, für den Fall, dass das Leistungs-Halbleiterbauelement ein Thyristor oder ein Triac, eventuell ein Transistor ist. In diesem Falle ist der erste Teil 14 der Hauptelektrode mit einem Hohlraum 10 für die Anbringung des Steuerelektrodenanschlusses oder des Anpresssystems der Steuerelektrode versehen. The second parts 5, 5 'of the two main electrodes of the semiconductor component are provided with a projection 4 over the circumference, to which the armature 9 of the ceramic insulating ring 8 is non-detachably connected, for example by welding. The circumferential projection 4 can form the part of the ring which is pushed onto the outer circumference of the second parts 5, 5 'of the main electrode and is last welded (with layer 15), or it can be an integrated part of the second parts 5 , 5 'of the main electrode. The ceramic insulating ring 8 can be provided with a through tube 11 for the control electrode connection, in the event that the power semiconductor component is a thyristor or a triac, possibly a transistor. In this case, the first part 14 of the main electrode is provided with a cavity 10 for the attachment of the control electrode connection or the pressing system of the control electrode.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, sind die Hohlräume des zweiten Teils 5 der Hauptelektroden in Form von zwei gegenseitig (und mit der Ebene des Halbleitersystems 7) parallelen As can be seen from FIG. 2, the cavities of the second part 5 of the main electrodes are in the form of two mutually parallel (and with the plane of the semiconductor system 7)

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 629337 3 629337

Ebenen ausgebildet und sind gegenseitig durch zwei Verbin- nungen 12 versehen sein, welche die Zentrierung des erfin- Levels are formed and are mutually provided by two connections 12, which center the invented

dungskanäle 2 verbunden. Die an die äussere Seite der ersten dungsgemässen Leistungs-Halbleiterbauelementes in Anpress- dungskanal 2 connected. The pressure on the outer side of the first power semiconductor component according to the invention

Teile 13,14 der Hauptelektroden anliegenden Hohlräume wer- richtung regeln. Parts 13, 14 of the cavities adjacent to the main electrodes will regulate the direction.

den von einer Reihe konzentrischer Kanäle 3 gebildet, wäh- Die Konstruktion der erfindungsgemässen Halbleiteran-rend die Hohlräume auf der entgegengesetzten Seite der zwei- s Ordnung ermöglicht eine Steigerung des Nutzwertes von Leiten Teile 5,5' der Hauptelektroden von zwei im Grundsatz par- stungs-Halbleiterbauelementen. Mit Hinsicht auf die merklich allelen zylinderförmigen Kanälen 1 gebildet werden. Diese par- bessere Abfuhr der Verlustwärme erhöht sich die Strombelastallelen Kanäle 1 sind mit Armaturen 6 (in Fig. 1 ) versehen, die barkeit des Halbleiterbauelementes bedeutend und es erwei-zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels, beispielsweise Wasser, tert sich auch das Spektrum seiner Anwendungsmöglichkeiten, bestimmt sind. Die beiden ersten Teile 13,14 und zweiten Teile io Günstig ist auch das kleinere Volumen der beschriebenen 5,5' der Hauptelektroden sind miteinander hermetisch verbun- Anordnung für Leistungshalbleiter gegenüber der konventio-den, beispielsweise durch eine Lotschicht 15 (in Fig. 1 durch nellen Konzeption eines selbständigen Bauelements und eines eine stärkere Linie dargestellt). Die zweiten Teile 5,5' der selbständigen Kühlkörpers, die Konstruktion ist auch wirt-Hauptelektroden können auf der Aussenfläche mit Zentrieröff- schaftlich gesehen günstig. formed by a series of concentric channels 3, while the construction of the semiconductor device according to the invention, the cavities on the opposite side of the second order, enables an increase in the usefulness of leads, parts 5.5 'of the main electrodes of two, in principle parsprungs -Semiconductor components. With regard to the noticeably allelic cylindrical channels 1 are formed. This better dissipation of the heat loss increases the channels parallel to the current load 1 are provided with fittings 6 (in FIG. 1), the availability of the semiconductor component is significant and the supply and removal of the coolant, for example water, also tends to increase the spectrum of its possible uses. The first two parts 13, 14 and second parts are also favorable. The smaller volume of the described 5.5 'of the main electrodes are hermetically connected to one another. Arrangement for power semiconductors compared to the conventional one, for example by a solder layer 15 (in FIG. 1 by conception of an independent component and a stronger line). The second parts 5, 5 'of the independent heat sink, the construction is also host main electrodes can be seen on the outer surface with a centering favorable.

G G

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

629337 PATENT CLAIMS

1.Semiconductor arrangement in which a power semiconductor component with end faces rests on two main electrodes which also serve as heat sinks and are provided with cooling channels, and in which a common insulating ring is attached to the main electrodes each consisting of two closely connected electrode parts by means of its fittings, thereby characterized in that the inner electrode parts (13, 14) adjacent to the semiconductor component (7) of each main electrode consist of a circular disk, and that on each outer electrode part (5,5 ') a laterally projecting component (4) is fastened, to which the Insulating ring (8) engages over the fittings (9) and that all cooling channels (1-3) are arranged in the outer electrodes (5,5 ').

2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the cooling channels (3) are arranged on the inner end face of each outer electrode part (5,5 ') and are designed as concentric ring channels, each having two connecting channels (2) running perpendicular to the end face A cylinder bore (1) forming an inlet and an outlet channel is connected, which lies in a second plane parallel to the plane of the cooling channels.

3. Semiconductor arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that one of the inner electrode parts (13, 14) is provided with a cavity (10) for attaching the connection of the control electrode or its pressing means.

4. Semiconductor arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that the cylinder bores (1) of the outer electrode parts (5,5 ') are provided with means (6) for the supply and discharge of the coolant.