DE1085261B

DE1085261B - Halbleitervorrichtung fuer grosse Leistungen

Info

Publication number: DE1085261B
Application number: DEG22285A
Authority: DE
Inventors: Conrad Henry Zierdt Jun
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1956-06-12
Filing date: 1957-06-11
Publication date: 1960-07-14
Also published as: NL217849A; NL101297C; GB822770A; US2887628A; FR1175953A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung für große Leistungen, bei der der Halbleiterkörper in einem Gehäuse elektrisch isoliert, aber in wärmeleitendem Kontakt mit diesem untergebracht ist und bei dem das Gehäuse mit reinem Metallsockel 5 und -bolzen unmittelbar in großflächigem Kontakt an einem Chassis montierbar ist und eine großflächige Schicht eines elektrischen Isoliermaterials von großer Wärmeleitfähigkeit den Metallsockel von dem Halbleiterkörper trennt.

Bisher war es bekannt, eine direkte metallische Verbindung zwischen dem Abschnitt, in dem die Wärme entsteht, und einem wärmeableitenden Zwischenstück oder einem anderen passenden Hilfsmittel zu verwenden, das mit einem Wärmeabstrahier oder Wärmeableiter, ζ. B. mit einem metallischen Chassis, in Verbindung steht. Auf diese Weise wird die im Halbleiter erzeugte Wärme durch Leitung über das Zwischenstück zum Wärmeableiter übertragen, von wo aus sie an die Luft der Umgebung abgegeben wird. Durch eine derartige direkte metallische Verbindung erhält der Wärmeableiter aber dasselbe elektrische Potential wie der eine Abschnitt der Halbleitervorrichtung, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten der Halbleitervorrichtung in elektrischen Schaltungen beschränkt sind.

Um diesen Mangel zu beseitigen, ist es bekannt, bei der Montage z. B. eines Transistors mit großer Leistung auf dem Chassis zwischen einem massiven Kupfersockel, mit dessen einer Seitenfläche der Kollektor des Transistors unmittelbar verlötet ist, und dem Chassis ein dünnes Glimmerplättchen einzufügen, das ein guter elektrischer Isolator, aber ein schlechter Wärmeleiter ist. Um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, ist es weiterhin bekannt, einen Tropfen Silikonöl zwischen dem Metall und dem Glimmer einzubringen. Dieses Glimmerplättchen kann jedoch bei der Montage leicht beschädigt werden.

Es ist auch ein Trockengleichrichter mit zahlreichen Gleichrichtertabletten bekannt, die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind und deren elektrische Verbindungen von Kontaktgliedern hergestellt werden. In derselben Ebene verläuft auch ein Kühl- oder Ge- häusemantel, von dem die Gleichrichtertabletten durch eine Schicht aus Aluminiumoxyd oder aus einem anderen wärmeleitenden aber elektrisch isolierenden Material getrennt sind. In derartigen Trockengleichrichtern werden relativ geringe Wärmemengen erzeugt, so daß eine Abkühlung des äußeren Mantels durch die Außenluft während des Betriebs ausreicht. Für Hochleistungsgleichrichter und -transistoren reicht eine derartige Wärmeableitung nicht aus; daher wünscht man das metallische Chassis bei derartigen Geräten zusätzlich zur Abfuhr der erzeugten Wärme auszunutzen.

Halbleitervorrichtung für große Leistungen

Anmelder:

General Electric Company,
Sctienectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dir.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Juni 1956

Conrad Henry Zierdt jun., Syracuse, N.Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Es ist auch bekannt, zwischen einer einen Gewindebolzen tragenden Umhüllung, die sich im großflächigen Kontakt auf einem Chassis befestigen läßt, und einer Kupferkühlplatte, deren andere Seitenfläche den Kollektor eines Hochleistungstransistors trägt, eine becherförmige Isolierschicht locker einzulegen. Diese becherförmige Isolierschicht ist in die Umhüllung eingeschoben. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß der Kontakt zwischen der Isolierschicht und der Kupferkühlplatte einerseits und der Umhüllung andererseits mangelhaft ist, obwohl sich große Flächen berühren. Die zuvor erwähnte Einlage eines Glimmerplättchens zwischen dem das Halbleitergerät tragenden Kupfersockel und dem Chassis erscheint hinsichtlich der Wärmeabfuhr günstiger gestaltet zu sein, weil bei der Montage die durch das Chassis hindurchgesteckte Schraube fest angezogen wird, was den Wärmeübergang wesentlich begünstigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeübergang zwischen einem in einer Hülle eingeschlossenen Halbleitergerät hoher Leistung durch eine günstigere Ausbildung des Kontaktes zu der zwischengeschalteten, in der Hülle befindlichen Isolierschicht und zum Chassis zu verbessern.

Bei der eingangs genannten Halbleitervorrichtung für große Leistungen, vorzugsweise bei einem Hochleistungstransistor, bei dem der Halbleiterkörper in einem Gehäuse elektrisch isoliert, aber in wärmeleitendem Kontakt in diesem untergebracht ist, und bei dem das Gehäuse mit seinem Metallsockel und -bolzen unmittelbar in großflächigem Kontakt an einem Chassis montierbar ist und eine großflächige Schicht eines elektrischen Isoliermaterials von großer Wärme-

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leitfähigkeit den Metallsockel von dem Halbleiterkörper trennt, ist gemäß der Erfindung die elektrisch isolierende Schicht an ihren Oberflächen metallisiert und an ihrer einen Seite durch Lötung mit der inneren Breitseite des Sockels und an ihrer anderen Seite mit dem Halbleiterkörper oder, einem wärmeleitenden Zwischenstück ebenfalls durch Lötung verbunden.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Transistor;

Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Halbleitergleichrichter dar.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen speziellen Typ von Halbleitergeräten beschränkt, sondern umfaßt alle Halbleitergeräte, von denen schnell und wirkungsvoll Wärme abgeleitet werden muß, während die inneren Bestandteile des Gerätes gegen einen Wärmeabstrahier isoliert bleiben müssen.

In Fig. 1 ist eine Halbleitervorrichtung für große Leistungen als Transistor 9 zu sehen. Dieser enthält eine dünne Platte 10 aus einem η-Halbleiter, in deren Seitenflächen zugehörige Akzeptorkörper 11 und 12 in einer dem Fachmann geläufigen Weise eindiffundiert sind, so daß innerhalb der Platte 10 zwei pn-Übergänge vorhanden sind.

Der derart hergestellte Transistor ist auf einem Kegelstumpf 17 aus einem wärmeleitenden Material angebracht. Ein Basisanschluß 14 ist an einer Elektrode 13 festgemacht. Eine Emitterleitung 15 steht mit dem Körper 11 in Verbindung. Eine Kollektorleitung 16 ist mit dem Kegelstumpf 17 verbunden, der z. B. mit Hilfe von Lötstellen an dem Körper 12 festsitzt.

Ein wärmeleitendes Zwischenstück 20 ist mit einem ringförmigen Rand 21 und einer Schraube 22 versehen, die in einen Wärmeabstrahier oder -ableiter, z. B. in ein metallisches Chassis (nicht gezeigt), eingeschraubt werden kann. Der Kegelstumpf 17 ist auf das Zwischenstück 20 mit Hilfe einer Schicht 18 aus einem elektrischen Isolierstoff von relativ hoher Wärmeleitfähigkeit aufgesetzt. Diese Schicht 18 ist auf beiden gegenüberliegenden Seiten in bekannter Weise metallisiert und mit den Teilen 17 und 20 verlötet. Ein Schutzdeckel 23 ist ebenfalls vorgesehen, dessen Rand sich mit dem Rand 21 deckt und mit diesem verschweißt oder in geeigneter Weise verschmolzen ist. Die elektrischen Leitungen 14, 15 und 16 laufen durch Öffnungen 19 im Rand 21 hindurch. Die Anordnung ist an den öffnungen 19 mit Hilfe von Glasperlen (Glasschmelzstücken) in bekannter Weise luftdicht abgeschlossen.

Der Isolierstoff 18., der zwischen dem Kegelstumpf 17 und dem Zwischenstück 20 liegt, muß die Eigenschaften eines guten, elektrischen Isolators haben und ebenfalls durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sein. Berylliumoxyd (BeO) wird am besten für diese Zwecke benutzt, da es ungefähr die gleiche Wärmeleitfähigkeit wie reines Aluminium und einen spezifischen Widerstand von 10¹⁴ Ohm-cm besitzt. Magnesiumoxyd (MgO), Aluminiumoxyd (Al₂O₃) und Berylliumoxydteilchen, die in einem Bindemittel verteilt sind, sind weitere Beispiele solcher Stoffe.

Die vom Transistor 9 erzeugte Wärme, deren großter Teil im Kollektor-Basis-Übergang entsteht, muß beseitigt werden, damit der Transistor zufriedenstellend arbeitet und große Ströme aufnehmen kann. Diese Wärme wird direkt auf das Element 17 von der Form eines Kegelstumpfes abgeleitet, so daß die Wärme äußerst wirkungsvoll vom Kollektor 12 aus über die Schicht 18 zum Zwischenstück 20 abfließt. Das Zwischenstück 20 ist mit einem Wärmeableiter verbunden, von dem aus die Wärme schließlich an die Luft der Umgebung abgegeben wird. Dadurch, daß man die Schicht aus dem Isolierstoff in der dargestellten Weise einfügt, ist der Kollektor 12 gegen das Zwischenstück 20, den Wärmeabstrahier und den Deckel 23 elektrisch isoliert. Infolgedessen braucht der Wärmeabstrahier oder das Zwischenstück nicht dasselbe elektrische Potential wie der Kollektor 12 aufzuweisen. Daher bestehen keine Beschränkungen für die Verwendungsart des Transistors in elektrischen Schaltungen, die vorhanden wäre, wenn der Kollektor direkt mit einem Wärmeabstrahier verbunden sein würde.

Wenn auch die Fig. 1 ein Element 17 zeigt, das zwischen dem Kollektor 12 und der Schicht 18 aus dem Isolierstoff Hegt, soll auch hier die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, daß die Schicht 18 direkt am Kollektor, an der Basis oder am Emitter anliegt, wie dies in Fig. 2 für einen Gleichrichter gezeigt ist. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist eine dünne Platte 30 aus einem η-Halbleiter mit einem Akzeptorzusatz durchsetzt, so daß ein pn-übergang gebildet ist. Ein Ring 32 ist mit der Platte 30 verbunden, damit die eine Elektrode des Halbleitergleichrichters entsteht, an der eine nach außen führende Leitung 33 leitend befestigt ist. Eine weitere, nach außen führende Leitung 34 ist mit einem Akzeptorteil 31 verbunden, der die äußere Elektrode des Halbleitergleichrichters bildet. Eine dünne Schicht Isolierstoff 35 von relativ hoher Wärmeleitfähigkeit ist an ihren gegenüberliegenden Flächen metallisiert, die entsprechend mit der Platte 30 und einem wärmeleitenden Zwischenstück 36 verlötet sind.

Das Zwischenstück 36 ist mit einem ringförmigen Rand 37 versehen, an dem ein Deckel 40 längs einer Fläche 39 aufgelötet ist. Das Zwischenstück 36 hat fernerhin eine Schraube 38, mit der die Anordnung in einen Wärmeabstrahier oder -ableiter eingeschraubt werden kann. Die ganze Einheit ist von einem runden Glasisolator 41 eingeschlossen, der am Deckel 40 angebracht ist und Kanäle 42, die die Leitungen 33 und 34 aufnehmen, enthält. Das Gehäuse ist luftdicht durch die Füllung der öffnungen 42 mit einem Lötmittel abgeschlossen.

Die vom Halbleiterübergang 30-31 erzeugte Wärme wird über die Schicht 35 zum leitenden Zwischenstück 36 und von dort zum Wärmeableiter abgeführt, der am Zwischenstück festsitzt. Dadurch, daß eine Schicht wie die elektrische Isolationsschicht 35 vorhanden ist, ist die Halbleitervorrichtung gegen das Zwischenstück 36 und den Wärmeabstrahier wirkungsvoll isoliert; infolgedessen werden bei Vorhandensein einer derartigen Schicht die elektrischen Schaltmöglichkeiten der Gesamtanordnung in keiner Weise eingeschränkt.

Wie aus den Figuren deutlich hervorgeht, ist die Schicht 35 aus dem Isolierstoff völlig gegen Beschädigungen aus der Umgebung oder gegen falsche Behandlung geschützt. Dies gilt auch für die Isolationsschicht 18 der Fig. 1.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung für große Leistungen, vorzugsweise Hochleistungstransistor, bei der der Halbleiterkörper in einem Gehäuse elektrisch isoliert, aber in wärmeleitendem Kontakt mit diesem untergebracht ist, und bei dem das Gehäuse mit seinem Metallsockel und -bolzen unmittelbar in großflächigem Kontakt an einem Chassis montierbar

ist und eine großflächige Schicht eines elektrischen Isoliermaterials von großer Wärmeleitfähigkeit den Metallsockel von dem Halbleiterkörper trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht an ihren Oberflächen metallisiert ist und'an ihrer einen Seite durch Lötung mit der inneren Breitseite des Sokkels und an ihrer anderen, dem Sockel entgegengesetzten Seite mit dem Halbleiterkörper oder einem Zwischenstück ebenfalls durch Lötung verbunden ist. ίο

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterkörper und der Schicht des elektrischen Isoliermaterials ein als Wärmesenke dienender Teil (17) eingeschaltet ist, der die im Halbleiterkörper innerhalb einer relativ kleinen Fläche erzeugte Wärme auf die relativ große Fläche der Schicht des elektrischen Isoliermaterials verteilt.

3. Halbleitervorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Isolationsmaterial von großer Wärmeleitfähigkeit aus Berylliumoxyd, Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd oder in einem Bindemittel verteilte Berylliumoxydteilchen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung S 16843 VIIIc/ 21 g (bekanntgemacht am 3. 1. 1952);

»Proceedings of the lSP±«, Bd. 42 (1954), H. 8, S. 1247 bis 1250; R

»Nachrichtentechnische Fachberichte«, Beihefte der »NTZ«, Bd. 1 (1955), S. 33 bis 36.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen