DE1195869B - Kuehlanordnung fuer ein oder mehrere Halbleiter-bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1195 869

Aktenzeichen: S 66999 VIII c/21:

Anmeldetag: 9. Februar 1960

Auslegetag: 1. Juli 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Kühlanordnung für ein oder mehrere Halbleiterbauelemente, welche einen Kühlkörper mit einem das oder die Halbleiterbauelemente tragenden Stegteil aufweist, von dessen Breitseiten senkrecht hierzu Kühlfahnen mit rechteckiger Grundform ausladen, und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Unter Halbleiterbauelementen sollen hierbei solche auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus oder nach Art von Germanium oder Silizium vom elektrischen Charakter eines Flächengleichrichters, Transistors oder eines Halbleiterstromtores mit pnpn-Schichtensystem am Halbleiterkörper verstanden werden.

Bei solchen Halbleiteranordnungen spielt die Wärmeabfuhr eine wesentliche Rolle, damit die Halbleiteranordnungen, die an sich wegen ihrer spezifisch hohen Strombelastung gegen Überlastung relativ empfindlich sind, betriebsmäßig durch irgendwelche kurzzeitige Überlastungen keinen Schaden erleiden können, indem die Kühleinrichtung die an den Halbleiteranordnungen anfallende elektrische Verlustwärme schnell und wirksam abführt.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einer solchen Kühlanordnung der eingangs angeführten Art verbindet gemäß der Erfindung der Stegteil zwischen den Kühlfahnen deren kürzere Kanten, hat parallel zu den Kühlfahnen einen Querschnitt, der sich von der Mitte aus nach den kürzeren Kanten der Kühlfahnen hin verjüngt, ist das bzw. jedes Halbleiterbauelement an der einen Stirnseite des Stegteiles in der Verlängerung der Stelle größten Querschnitts befestigt und ist an der anderen Stirnseite eine Einrichtung für eine drehfeste Verbindung mit einem Träger bzw. einem weiteren Kühlkörper vorgesehen.

Es ist für einen Kühlkörper von Halbleiteranordnungen bekannt, einen Winkelkörper mit rechtwinkelig zueinander stehenden Schenkeln zu verwenden, auf der Innenseite des einen Winkelschenkels ein Halbleiterbauelement sowie Verbindungskörper zu einem weiteren elektrischen Anschlußkörper eines anderen, benachbart angeordneten Halbleiterbauelementes zu befestigen, an der Außenseite dieses Winkelschenkels Kühlfahnen von gleichbleibender Dicke und rechteckigem Umfang ihrer Flächenausdehnung mit der einen Seitenkante dieses Umfanges einzusetzen und den anderen Winkelschenkel des Grundkörpers mit Bohrungen für eine Befestigung oder/und einen elektrischen Anschluß der Einheit zu versehen.

Hierbei muß die anfallende Joulesche Wärme ihren Weg von der die Wärme übernehmenden Wurzel jeder plattenartigen Kühlfahne an dem Kühlanordnung für ein oder mehrere Halbleiterbauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Heinz Martin, München

Grundkörper durch den gleichbleibenden Kühlfahnenquerschnitt zu den entfernt von der mechanischen Verbindungsstelle zwischen Kühlfahnen und Grundkörper liegenden Oberflächenteilen der einzelnen Kühlfahnen nehmen.

Bei einer anderen bekannten Ausführung ist das Halbleiterbauelement auf der einen Fläche des mittleren Formteiles eines Grundkörpers von S-Form befestigt und auf der über die Dicke des Körpers gegenüberliegenden Fläche eine Vielzahl von U-förmigen Kühlfahnen verschiedener Jochlänge, auf die Symmetrieebene zwischen den Schenkeln der Jochformen bezogen, mit den Jochformen symmetrisch ineinandergesetzt und an ihren Jochen geschichtet mittels einer Schraubverbindung festgespannt.

Auch hierbei muß der Wärmefluß seinen Weg zu der von der Wärme übernehmenden Stelle bzw. den Randzonen der Kühlfahnen entfernter liegenden, an das umgebende Mittel wärmeabgebenden Oberflächenteilen der Kühlfahnenteile durch den gleichbleibenden Querschnitt der einzelnen Kühlfahne nehmen.

Bei einer anderen bekannten Ausführung sind die Kühlfahnen auf einem mittleren Teil ihrer Längenausdehnung U- bzw. topfartig gestaltet, so daß mehrere Kühlfahnen an diesen mittleren Teilen ineinandergesetzt und -gepreßt werden können, in die innerste U-Form bzw. den innersten Topf die Fassung eines Halbleiterbauelementes eingeschoben oder -gepreßt und auf die Außenfläche der U-Form bzw. des Bodens der Topfform größerer lichter Weite eine plane Kühlplatte befestigt werden kann. Die an die U-Form bzw. Topfform anschließenden weiteren Flächenteile von gleichbleibendem Querschnitt der Kühlfahnen haben eine gewisse gegenseitige Entfernung voneinander und sind gegebenenfalls als elektrische Anschlußglieder an winkelförmig

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abgebogenen Teilen gestaltet und werden zur Aufreihung auf Tragstangen benutzt.

Ein weiterer bekannter Kühlkörper ist einheitlich mit einem zylindrischen Teil und zu seiner Längsachse senkrecht ausladenden ringscheibenförmigen Kühlfahnen von in radialer Richtung gleichbleibender Dicke sowie mit einer zentralen Gewindebohrung hergestellt, so daß auf der einen Stirnfläche dieses Körpers ein Halbleiterbauelement befestigt werden und andererseits der Halbleiterkörper ebenfalls mittels Schraubverbindung an einem weiteren Träger befestigt werden kann.

Für ein gekühltes Halbleiterbauelement ist der Aufbau eines Gehäuses mit einem Grundplattenkörper bekannt, wobei dieser an der Außenfläche mit einem ausladenden Gewindebolzen versehen ist, auf welchen ein Tragwinkel sowie nachfolgend abwechselnd Abstandsstücke und Kühlfahnen aufgereiht sowie durch Verschraubung befestigt werden können. Auf der gegenüberliegenden Innenfläche des Grundplattenkörpers ist das Halbleiterelement befestigt und mit einem pilzförmig mit seinem äußeren Pilzdach mit dem Halbleiterelement verbundenen Anschlußkörper mit ausladendem Gewindebolzen versehen, wobei auf diesen nach dem membranartigen, zugleich als elektrische Anschlußfahne dienenden Deckelteil abwechselnd wieder Abstandsstücke und Kühlfahnen mit Schraubbefestigung aufgereiht sind. Der Rand des Deckels ist mit der Stirnfläche eines ringförmigen Hohlkörpers verbunden, der das Halbleiterelement mit Abstand umschließt und seinerseits an seiner anderen Stirnfläche auf dem Grundplattenkörper befestigt ist.

Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, ein solches Halbleiterbauelement mit dem ausladenden Gewindeschaftteil durch eine Bohrung des Deckels eines Kühlmittel enthaltenden Gefäßes einzuführen und mittels eines gewindebuchsenartig gestalteten Körpers, der an seiner Mantelfläche Kühlfahnen gleichbleibender radialer Dicke trägt, an der Deckelplatte festzuspannen.

Bei Kühlkörpern von Halbleiterbauelementen, welche an der einen Fläche das Halbleiterelement und an der über die Platte gegenüberliegenden Fläche rechteckige Kühlfahnen von gleichbleibender Dicke tragen, die mit der einen Rechteckseite an dem Grundplattenkörper eingesetzt sind, ist es bekannt, diese Platten an ihrer Fläche mit durchgedrückten Teilen von langgestreckter Balkenform zu versehen, welche an der benachbart liegenden Kühlfahne zur Anlage kommen und sich in verschiedenen Reihen an der gleichen Kühlfahne sowie in gleichen Reihen an aufeinanderfolgenden Kühlfahnen in ihrer Richtung kreuzen. Es soll auf diese Weise in den Zwischenräumen je zweier Kühlfahnen gleichbleibender Dicke für eine wiederholte Umlenkung des Kühlmittelstromes gesorgt werden.

Es ist auch bekannt, mehrere Halbleiterbauelemente, die eine gemeinsame elektrische Schaltung bilden, an dem Jochteil einer U-förmig gebogenen Blechplatte zu befestigen.

Es sind auch Kühlkörper in Form einer Einheit aus einem plattenförmigen Körper und senkrecht von dessen gegenüberliegenden Flächen ausladenden Sätzen von Kühlfahnen in je einer von den Enden der Platten aus gerechneten Zone bekannt; in diesen sind zwischen den Kühlfahnenzonen an einander über die Dicke der Platte gegenüberliegenden Flächen Bereiche für das Einsetzen eines Halbleiterbauelementes in Form eines Transistors in eine Bohrung und für die Anordnung von Anschlußbolzen für dieses Halbleiterelement vorgesehen. Das Halbleiterbauelement wird also gegen die Seitenfläche der Platte gedruckt, so daß die anfallende Joulesche Wärme ihren Weg über diese Übergangsstelle und dann erst nach einer Umlenkung ihrer Flußrichtung um etwa 90° ihren Weg durch die Platte zu den

ίο Kühlfahnen nehmen kann.

Ein solcher Aufbau einer Kühlanordnung nach der Erfindung hat den günstigen Effekt, daß von dem bzw. den Halbleiterbauelementen für die anfallende Joulesche Wärme eine einfach in ihrem Verlauf gestaltete Wärmeleitbrücke relativ hoher Güte, also von geringem Wärmeströmungswiderstand, bis nahe an alle wärmeabgebenden Oberflächenteile der Kühlfahnen, und zwar unmittelbar bis zu deren am weitesten ausladenden Flächenteilen bzw. äußersten Begrenzungskanten geschaffen wird.

Die Benutzung der in Richtung auf die äußeren Kanten der Kühlfahne verjüngten Form des Wärmezuleitungssteges erweist sich für die Strömung technisch als günstig, denn sie verringert auf diese Weise den Strömungswiderstand gegen zwischen den Kühlfahnen entlang der Stegform durch Konvektion oder forcierte Strömung gefördertes Kühlmittel, wobei sich bei einer Strömung in Richtung der Längskanten der Platten ein relativ langer Kamin für eine wirksame Begünstigung des Auftriebes in dieser Strömung ergibt.

Die Anordnung des oder der Halbleiterbauelemente an der Stirnseite eines kreisflächenförmigen Sockelteiles in der Verlängerung des Stegteiles von größerem Querschnitt gewährleistet eine weitgehende Verringerung des Wärmeleitungswiderstandes im Kühlkörper zur Versorgung der Kühlfahnen und sorgt für eine anteilig und allseitig möglichst gleichmäßige Aufteilung sowie Abführung der Jouleschen Wärme von dem bzw. den Halbleiterbauelementen.

Die vorliegende Aufbauform erlaubt auch, mehrere Halbleiterbauelemente mit ihrem Kühlkörper nach Wahl in beliebiger, durch die elektrische Schaltung bestimmter Zahl nebeneinander anzuordnen, wobei aber die günstige Wirkung der Kühlkörper für die Wärmeabfuhr an allen Halbleiterbauelementen bestehen bleibt und außerdem jedes der einzelnen für eine Prüfung bzw. Inspektion und für eine Auswechselung unabhängig von den anderen zugänglich ist und bleibt. Der Kühlkörper gewährleistet durch die Gestaltung seiner anderen Stirnseite bei der Befestigung des Halbleiterbauelementes an einem Kühlkörper, der bereits an einem weiteren Träger befestigt bzw. mit einem weiteren Körper verbunden ist, durch seine drehfeste Verbindung mit diesem die Entstehung einer gegenseitigen Verbindung erwünschten gegenseitigen Anpreßdruckes von Halbleiterbauelement und Kühlkörper für einen Übergang mechanischer, thermischer und gegebenenfalls elektrisch hoher Güte.

Wie bereits angeführt, kann die andere Stirnfläche des Kühlkörpers also an seinem anderen Ende, welches nicht als Träger eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente benutzt ist, statt für die Befestigung des aus Halbleiteranordnung und Kühlkörper bestehenden Aggregates an einem weiteren Träger für die drehfeste Verbindung mit einem weiteren Kühlkörper benutet werden. Ein an sich selbständiger, das

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oder die Halbleiterbauelemente tragender Kühl- Ist der Kühlkörper aus mehreren Teilen zusam-

körper wird in diesem Falle mit anderen weiteren mengesetzt, so können für den bzw. jeden Stegteil

Kühlkörpern zu einem Kühlblock bzw. Kühlaggregat und für die Kühlfahnen auch verschiedenartige

aneinandergereiht, so daß durch die Bemessung der Materialien gewählt werden. Die Einzelteile können

Zahl der zusammengesetzten, an sich sonst selb- 5 in diesem Falle z. B. durch eine Schraubverbindung

ständigen Kühlkörper eine kühlungsmäßige Anpas- zu einer Einheit zusammengespannt werden. Es kön-

sung der Kühlanordnung an die Belastung der Halb- nen auch die Kühlfahnen in Aussparungen eines

leiteranordnung stattfinden kann. durchgehenden Stegkörpers eingeschoben und dann

Zu diesem Zweck werden die Stirnflächen des in diesem durch eine Verstemmung oder Verlötung Kühlkörpers zweckmäßig so gestaltet, daß auch ein io bzw. Verschweißung befestigt werden. Im übrigen ist guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Bei einer eine Zusammensetzung des Kühlkörpers aus mehresolchen Aneinanderreihung mehrerer Teilkühlkörper ren Werkstoffen auch möglich, wenn ein Gießprozeß kann es erwünscht sein, daß der oder die Stege in benutzt wird. So können beispielsweise in diesem allen hintereinandergeschalteten Teilkühlkörpern die Sinne Kühlfahnen einander in einer bestimmten gleiche relative Lage haben, so daß auch die Strö- 15 relativen Lage zunächst zugeordnet werden und dann mung des Kühlmittels zwischen den Kühlfahnen diese Kühlfahnen mit oder über einem Stegteil durch hindurch und der Wärmeströmungsweg von einem einen Gießprozeß verbunden werden.
Kühlkörperteil zu einem nachfolgenden des Kühl- In der vorausgehenden Beschreibung ist eine Ankörperaggregates einen hohen Gütewert haben. Aus Ordnung geschildert worden, wonach mehrere Eindiesem Grunde kann es sich als zweckmäßig er- 20. heiten aus je einem Kühlkörper und einer oder mehweisen, an den Stirnflächen Hilfseinrichtungen vor- reren Halbleiteranordnungen an einem gemeinsamen zusehen, damit eine eindeutig vorbestimmte relative Träger dadurch befestigt werden, daß die Kühlkörper Aneinanderreihung der Kühlkörper gewährleistet ist. mit einer Stirnfläche an diesem gemeinsamen Träger

Eine solche besondere Gestaltung der Stirnfläche befestigt werden. Auf eine solche Ausführung ist des Kühlkörpers, die eine vorbestimmte Lage für 25 jedoch die Anwendung der Erfindung, wenn es sich diesen ergibt, kann sich auch bereits dann als um die Vereinigung mehrerer Halbleiteranordnungen zweckmäßig erweisen, wenn nur ein Kühlkörper mit zu einem mechanischen und/oder elektrischen Aggreder Halbleiteranordnung vereinigt ist und diese Ein- gat handelt, nicht beschränkt. So können beispielsheit dann an einem weiteren Träger befestigt werden weise unmittelbar Kühlfahnen für eine mechanische soll. Dieser weitere Träger kann nämlich gegebenen- 30 Verbindung mit Kühlkörpern benachbarter Kühlfalls gemeinsamer Träger für mehrere Einheiten sein, körper benutzt werden. Haben die Kühlkörper beso daß es dann für die Erzielung der eindeutigen nachbarter Halbleiteranordnungen das gleiche Poten-Lage der Kühlfahnen an den benachbarten Gleich- tial, so kann unmittelbar eine mechanische Verbinrichteranordnungen erwünscht sein kann, daß diese dung über metallische Körper stattfinden. Liegt jeeine bestimmte Ausrichtung in ihrer Lage unmittel- 35 doch ein verschiedenes elektrisches Potential an den bar durch ihr Zusammensetzen mit dem Träger er- Kühlkörpern vor, so kann die mechanische Verbinfahren, ohne daß es einer besonderen Aufmerksam- dung auch über entsprechende Isolierstücke vorgekeit seitens des Bedienenden dabei bedarf. nommen werden. Beispielsweise können die Kühl-

Für diesen Zweck kann die zur Befestigung der fahnen in Aussparungen von mechanischen Verbin-Kühlanordnung benutzte Stirnfläche mit geeigneten 40 dungsstücken zwischen benachbarten Einheiten ein-Paßformen versehen sein, die dann mit geeigneten geschoben werden.

Gegenpaßformen an einem weiteren Träger der ein- Nach dieser vorstehenden Schilderung ist es also

zelnen oder mehrerer Halbleiteranordnungen zu- auch möglich, eine Halbleiteranordnung an den

sammenwirken. Kühlfahnen ihres Kühlkörpers zu tragen. In diesem

Damit eine gute Wärmezuführung der an der 45 Falle entfällt die Notwendigkeit, eine Stirnfläche des Halbleiteranordnung anfallenden elektrischen Ver- Kühlkörpers für die Befestigung auszunutzen. Darlustwärme zu den Kühlfahnen stattfindet, kann der aus kann dann dahingehend Nutzen gezogen werden, bzw. jeder Steg auch in besonderer Weise mit Rück- daß der Kühlkörper nicht nur als Träger einer einsieht auf diese Wärmezufuhr gestaltet sein. So kann zigen, sondern mehrerer Halbleiteranordnungen bez. B. der Stegquerschnitt auf den Streckenteilen zu 50 nutzt wird, die an den entgegengesetzten Enden des denjenigen Kühlfahnen, die dem Sitz der Halbleiter- Kühlkörpers bzw. den an diesen vorgesehenen Stirnanordnung an dem Kühlkörper näher benachbart flächen angeordnet sind.

liegen, größer gewählt werden als zu den weiter ent- Für eine solche Halbleiteranordnung kann es sich

fernteren Kühlfahnen. wegen des Ortes ihres betriebsmäßigen Einsatzes

Der Kühlkörper nach der Erfindung kann in 55 gegebenenfalls auch empfehlen, sie besonders gegen zweckmäßiger Weiterbildung aus mehreren Teilen korrodierende Einflüsse der Umgebung zu schützen, aufgebaut sein. So kann er beispielsweise aus meh- Diese korrodierenden Einflüsse können entweder reren aneinandergereihten Stegteilen bestehen, zwi- solche sein, die lediglich eine Veränderung der Oberschen denen jeweils eine Kühlfahne eingeschaltet ist. fläche der Einzelteile der Halbleiteranordnung her-Eine günstigere Ausführung, die insbesondere wärme- 60 beiführen, oder auch solche, die in der Anordnung strömungsmäßig besondere technische Vorzüge er- unerwünscht elektrische Primärelemente zur Entgibt, liegt dann vor, wenn der gesamte Kühlkörper, stehung gelangen lassen. Das ist der Fall, wenn also Stegteil und Kühlfahnen, aus einem einheit- Einzelteile aus verschiedenen Werkstoffen miteinlichen Stück hergestellt wird. Das kann insbesondere ander in mechanischem und elektrischem Kontakt durch einen Gießprozeß erfolgen. Als Werkstoff für 65 sind, die an ihrer gegenseitigen Berührungsstelle den Kühlkörper wird vorzugsweise ein gut wärme- durch die Umgebung dem Zutritt eines Mittels ausleitendes Material, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, gesetzt sind, welches als Elektrolyt wirksam wird, benutzt. und die genannten Werkstoffe in der elektroche-

mischen Spannungsreihe derart voneinander entfernt liegen, daß sie zur Erzeugung einer beachtlichen EMK führen. Diesen nachteiligen Einflüssen läßt sich erfindungsgemäß dadurch begegnen, daß mindestens die genannten Berührungszonen der Körper gegen einen Zutritt eines solchen als Elektrolyt wirkenden Mittels geschützt werden. Zu diesem Zweck können die gegenseitigen Kontaktflächen an ihrem Umfang z. B. von einer entsprechenden Schutzschicht umschlossen werden. Ein anderer Lösungsweg ist z. B. der, daß mindestens einer der beiden miteinander in Berührung stehenden Körper an seiner Kontaktzone mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird. Liegt beispielsweise ein Körper aus Aluminium vor, so läßt sich ein solcher Effekt bereits dadurch erzielen, daß mindestens die Kontaktzone dieses Isolierkörpers z. B. elektrisch nach dem Eloxalverfahren oxydiert wird. Statt dessen kann auch ein anderer, dünner, geeigneter Schutzüberzug aus einer Folie oder der Aufstrich einer Paste benutzt werden. Auf diese Weise entsteht naturgemäß zwischen der Fassung des Halbleiterelementes und dem Kühlkörper eine elektrische Unterbrechung, so daß der Kühlkörper in diesem Falle nicht mehr unmittelbar als ein elektrischer Anschlußpol der Halbleiteranordnung benutzt werden kann. Wird der Kühlkörper jedoch gleichzeitig als rein mechanischer Träger eines elektrischen Anschlusses der Anordnung benutzt, so ergibt sich dann die Notwendigkeit, wenn die metallische Fassung der Halbleiteranordnung nach wie vor als elektrischer Anschlußpol des von ihr eingeschlossenen Halbleiterelementes benutzt wird, eine entsprechende elektrische Leitungsbrücke zwischen der Grundfläche der Halbleiterelementefassung und dem elektrischen Anschluß zu benutzen, der von dem Kühlkörper getragen wird. Das Festspannen dieser elektrischen Leitungsbrücke kann jedoch unmittelbar dadurch erfolgen, daß die Fassung des Halbleiterelementes in den Kühlkörper eingeschraubt oder an ihm über eine andere Schraubverbindung befestigt ist, wobei die als elektrische Anschlußleiter benutzte Brücke zwischen der Fassung des Halbleiterelementes und dem Kühlkörper festgespannt wird.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnungen Bezug genommen.

In den Fig. 1 bis 5 ist ein Kühlkörper für eine Halbleiteranordnung in mehreren einander entsprechenden Rissen wiedergegeben. Aus diesen Darstellungen ist zu erkennen, daß der Kühlkörper 1 aus einem Stegteil 2 besteht, der sich, wie insbesondere aus F i g. 3 zu erkennen ist, in der einen Richtung über die ganze Länge der von ihm getragenen Kühlfahnen 3 erstreckt. An der Stirnfläche 4 ist der auf diese Weise gebildete Kühlkörper mit einer Gewindebohrung S versehen, so daß in diese mit einem Schraubenbolzen eine Halbleiterelementefassung eingedreht werden kann, die ihrerseits das eigentliche Halbleiterelement, welches durch den Kühlkörper gekühlt werden soll, z. B. in eine gasdichte Kapselung umschließt. An dem entgegengesetzten Ende zu demjenigen Ende, an dem sich die Stirnfläche 4 befindet, ist der Kühlkörper mit einer weiteren Stirnfläche 6 versehen, jedoch gleichzeitig mit zwei Bolzen 7, mittels welcher der Kühlkörper gegebenenfalls in zwei Gegenpaßformen eines nicht besonders dargestellten Trägers eingeführt werden kann. Für seine Befestigung an diesem weiteren Träger kann in die Gewindebohrung 8 eine entsprechende Befestigungsschraube eingedreht werden. Dieser Kühlkörper kann, wie es insbesondere aus F i g. 3 ersichtlich ist, mindestens an der einen Stirnfläche noch mit weiteren Hilfseinrichtungen ausgestattet sein, um ihn als Träger für weitere Hilfsanordnungen zu benutzen. So ist für diesen Zweck eine weitere Gewindebohrung 9 in einem ausladenden Teil 23 des Kühlkörpers 1 vorgesehen, und ferner weist die nach den F i g. 1 und 2 oberste Kühlfahne zwei Aussparungen 10 auf. Diese Hilfseinrichtungen können benutzt werden, um die elektrischen Anschlüsse der Halbleiteranordnungen an dem Kühlkörper 1 anzuordnen und zu tragen. Die Halbleiteranordnung mit dem Kühlkörper kann auf diese Weise zu einer solchen Einheit gestaltet werden, welche unmittelbar fest angeordnete Anschlußklemmen trägt. Ein solcher Aufbau einer Halbleiteranordnung ist aus den einander

so entsprechenden Rissen nach den F i g. 6 bis 8 ersichtlich.

Die F i g. 6 bis 8 zeigen den Kühlkörper 1 wieder mit seinem Stegteil 2 und den Kühlfahnen 3. Am unteren Ende des Kühlkörpers sind wieder die

as Bolzen 7 zu erkennen. An der oberen Stirnfläche ist in den Kühlkörper 1 die Halbleiterelementefassung 19 eingeschraubt, welche in einer gasdichten Kammer das eigentliche Halbleiterelement einschließt, von dessen zweitem Pol sich ein Leiter 20 durch eine isolierte Durchführung 21 herauserstreckt. Nun ist der Kühlkörper 1 an seiner oberen Stirnfläche gleichzeitig als Träger zweier elektrischer Anschlüsse 12 und 13 gestaltet. Der eine dieser Anschlüsse ist über einen Isolierkörper 22 von dem Kühlkörper 1 getragen, während der elektrische Anschluß 12 an der bereits erwähnten Ausladung 23 des Kühlkörpers 1 befestigt ist, da die metallische Fassung 19 unmittelbar als ein elektrischer Pol des von ihr eingeschlossenen Halbleiterelementes benutzt ist. Der Isolierkörper 22 ist mittels zweier Hohlniete 22, welche seitlich in die Aussparung 10 an der obersten Kühlfahne des Kühlkörpers eingeführt sind, an dieser Kühlfahne befestigt. Die Verbindung zwischen dem Leiter 20, der aus der Fassung 19 durch die isolierte Durchführung 21 herausgeführt ist, und dem elektrischen Anschluß 13 ist mittels eines biegsamen Leiters 14 hergestellt. Für die Vornahme der eigentlichen elektrischen Anschlüsse sind an diesen Anschlußstellen Schlitzkopfschrauben 15 bzw. 16 vorgesehen, unter denen sich, wie insbesondere aus Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, noch U-förmige Teile 12 a bzw. 13 a befinden können, die über den jeweiligen Anschlußkörper greifen, so daß unter der U-Form ohne Drehungsbeanspruchung beim Anziehen der Schrauben 15 bzw. 16 die anzuschließenden Leiter bzw. der Leiter 14 festgespannt werden können.

Die F i g. 9 der Zeichnung veranschaulicht nun gleichzeitig noch ein Beispiel einer Zusammenfassung einer Mehrzahl und zwar von drei Halbleiteranordnungen 19 α bis 19 c über ihre Kühlkörper la bis Ic und zwischen diesen eingeschaltete Körper 17 bzw. 18 zu einem mechanischen Aggregat. Diese Zwischenkörper 17 und 18 sind derart gestaltet, daß sie Aussparungen aufweisen, die den Abmessungen der Kühlfahnen 3 und der Kühlkörper la bis Ic angepaßt sind. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Halbleiterelementen lediglich durch Ineinanderstecken

der Kühlfahnen 1 der Halbleiteranordnungen und der Zwischenkörper nach Art von 17 bzw. 18 zu einem Aggregat aus einer beliebigen Anzahl von Halbleiteranordnungen in beliebiger räumlicher Ausdehnung zusammengesetzt werden, wenn gleichzeitig noch für eine entsprechende Vorrichtung gesorgt ist, die die Halbleiteranordnungen und die Zwischenstücke zu einer Einheit zusammenspannt. Das könnte beispielsweise erfolgen, indem die Kühlkörper der am Ende der Reihe angeordneten Halbleiteranordnungen und gegebenenfalls zusätzlich diejenigen einer oder mehrerer zwischen den Endeinheiten der Reihe liegenden Halbleiteranordnungen an ihren Befestigungsbolzen oder dem an der unteren Stirnfläche vorgesehenen Gewindeloch mit einem entsprechenden weiteren Träger oder einem Gerüstteil verbunden und an diesem festgespannt werden.

In ähnlicher Weise, wie hier eine Zusammenfassung einer Anzahl von Halbleiteranordnungen zu einem einzigen Aggregat wiedergegeben ist, kann auch eine Zusammensetzung eines Kühlkörpers einer oder mehrerer Halbleiteranordnungen aus mehreren Teilkühlkörpern zu einem Aggregat stattfinden. In diesem Falle müßte ein Zwischenkörper zwischen zwei solchen Teilkühlkörpern vorgesehen werden, der einerseits eine Passung mit der einen Stirnfläche des Kühlkörpers nach Art des Halbleiterelementef assungskörpers eingeht und andererseits eine entsprechende Passung mit derjenigen unteren Fläche an dem Kühlkörper, an welcher die beiden Befestigungsbolzen 7 vorgesehen sind. Sind die Bolzen 7 nicht sehr hoch bemessen, so kann natürlich auch unmittelbar, wenn der Sitz für die Halbleiterelementefassung an dem Kühlelement sich bis zu einem entsprechenden Betrag über die letzte Kühlfahne erhebt, ein unmittelbares Aneinanderreihen von Teilkühlkörpern ohne Zwischenkörper stattfinden. Das könnte auch ohne Rücksicht auf eine solche Gestaltung dieser Bolzen 7 dann erreicht werden, wenn diese Bolzen 7 lediglich nach Wahl in entsprechende Paßöffnungen an dem Kühlkörper eingesetzt werden können, also lösbar an dem einzelnen Kühlkörper vorgesehen sind.

In den einander entsprechenden Rissen nach den Fig. 10 und 11 ist noch ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung gezeigt, nach welcher zwisehen der Fassung des Gleichrichterelementes und dem Kühlkörper, dessen Oberfläche mit einer isolierenden Schutzschicht versehen ist, eine elektrisch leitende Brücke zu einem der Anschlüsse der Halbleiteranordnung benutzt ist. Der Kühlkörper trägt wieder die Bezeichnung 1, die Fassung der Halbleiteranordnung die Bezeichnung 19, der aus dieser Fassung durch eine isolierte Durchführung 21 heraustretende Anschlußleiter die Bezeichnung 20 und der an diesen sich anschließende biegsame Anschlußleiter die Bezeichnung 14. Dieser ist an seinem Ende mit einem Kabelschuh 14 a versehen, der an dem elektrischen Anschluß 13 mit der Schraube 15, der von dem Isolierkörper 22 getragen wird, festgespannt ist. Der Kühlkörper 1 ist entweder an seiner gesamten Oberfläche, mindestens aber an derjenigen Fläche, über welche sich die untere Stirnfläche der metallischen Fassung der Halbleiteranordnung 19 gegen die entsprechende Stirnfläche des Kühlkörpers 1 legen würde, mit einer isolierenden Schutzschicht versehen. Besteht der Kühlkörper 1 aus Aluminium, so kann er beispielsweise mit einer nach dem Eloxalverfahren erzeugten Schutzschicht aus Aluminiumoxyd an seiner Oberfläche versehen worden sein. Zwischen der Fassung 19 der Halbleiteranordnung, die mittels eines Schraubenbolzens 19 a in den Kühlkörper 1 eingedreht ist, und dem Kühlkörper ist die elektrische Brücke 25 eingespannt. Diese elektrische Brücke 25 ist an ihrem freien Ende mit einer Lötöse 26 versehen. Außerdem ist aber ihr benachbart an diesem freien Ende der elektrischen Brücke 25 eine Schrauben-Mutter-Verbindung, bestehend aus der Schraube

27 und der Mutter 28, nach der Schnittdarstellung gemäß Fig. 12 vorgesehen, wobei sich die Schraube mit ihrem Schaft durch eine Bohrung des Körpers 25 erstreckt. Um eine räumlich zweckmäßige Ausbildung zu erreichen, liegen, wie es aus der Teildarstellung nach Fig. 12 zu entnehmen ist, der Schaft der Schraube 27 und die auf diesem aufgedrehte Mutter

28 innerhalb der geometrischen Form des Kühlkörpers 1. Dieser Kühlkörper 1 ist hierfür mit einer Aussparung 29 versehen, in welche der Schraubenschaft eintauchen kann, und einer darüberliegenden Aussparung 30, welche der Sechskantform der Schraubenmutter derart angepaßt ist, daß ein gegenseitiger Eingriff besteht, durch welchen die Mutter 28 in ihrem Sitz an dem Kühlkörper 1 drehsicher gehalten ist, indem dieser mit ihr nach Art eines Schraubenschlüssels zusammenwirkt.

In der Darstellung nach Fig. 10 ist auch zu erkennen, daß an der unteren Stirnseite des Kühlkörpers 1 an Stelle zweier solcher ausladender Bolzen 7, wie nach den F i g. 1 bis 8, zur drehfesten Verbindung einer Halbleiteranordnung über den Kühlkörper allein oder zusammen mit anderen, gleichartigen Halbleiteranordnungen an einem weiteren Träger bei eindeutiger Ausrichtung der Kühlfahnen nur ein einziger ausladender Teil 31 an der unteren Stirnfläche benutzt werden kann, der mindestens zwei abgeschrägte Seitenflächen wie 31a bzw. 31 b aufweist, welche also in dem angegebenen Sinne Paßformen bzw. eine Paßform an der Halbleiteranordnung einschließlich Kühlkörper sind, die mit einer entsprechenden Gegenpaßform bzw. mit Gegenpaßformen an einem weiteren Träger zusammenwirken. Durch diesen ausladenden Teil 31 hindurch ist eventuell bis in den eigentlichen anschließenden Kühlkörper hinein eine Gewindebohrung 32 für die Schraubverbindung des Kühlkörpers mit dem weiteren Träger vorgesehen.

Claims (19)

Patentansprüche:

1. Kühlanordnung für ein oder mehrere Halbleiterbauelemente, welche einen Kühlkörper mit einem das oder die Halbleiterbauelemente tragenden Stegteil aufweist, von dessen Breitseiten senkrecht hierzu Kühlfahnen mit rechteckiger Grundform ausladen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stegteil zwischen den Kühlfahnen deren kürzere Kanten verbindet und parallel zu den Kühlfahnen einen Querschnitt hat, der sich von der Mitte aus nach den kürzeren Kanten der Kühlfahnen hin verjüngt, daß an der einen Stirnseite des Stegteiles in der Verlängerung der Stelle größten Querschnitts das oder die Halbleiterbauelemente befestigt sind und daß an der anderen Stirnseite eine Einrichtung für eine drehfeste Verbindung mit einem Träger bzw. einem weiteren Kühlkörper vorgesehen ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper zwei elek-

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irische Anschlüsse aufweist, die entweder gemeinsam an einer Stirnfläche oder getrennt an beiden Stirnflächen angebracht sind, und daß mindestens einer der elektrischen Anschlüsse über einen elektrisch isolierenden oder isolierten Träger mit dem Kühlkörper verbunden ist.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für eine drehfeste Verbindung des Kühlkörpers aus einer oder mehreren Paßformen besteht, über to welche der Kühlkörper an einem Träger mit entsprechenden Gegenpaßformen in einer vorbestimmten Lage für eine Konvektionskühlung oder eine forcierte Kühlung durch ein flüssiges oder gasförmiges Mittel, z.B. Luft, eingebaut werden kann.

4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einem durchgehenden Werkstoffstück besteht.

5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist.

6. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile entweder mittels einer besonderen Hilfsvorrichtung, durch eine unmittelbare gegenseitige Schraubverbindung oder durch Formschluß miteinander zu einer mechanischen Einheit verbunden sind.

7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung des bzw. jedes Halbleiterbauelementes und der Kühlkörper mindestens an ihrer gemeinsamen Berührungszone aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, die nach der elektrochemischen Spannungsreihe eine Potentialdifferenz ergeben, und daß mindestens diese Berührungszone mit einer sie gegenüber den chemischen Einflüssen der Umgebung schützenden Umhüllung versehen ist.

8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung des bzw. jedes Halbleiterbauelementes und der Kühlkörper mindestens an ihrer gemeinsamen Berührungszone aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, die nach der elektrochemischen Spannungsreihe eine Potentialdifferenz ergeben, und daß mindestens eine der an dieser Zone sich berührenden Flächen mit einem elektrisch isolierenden Überzug bzw. einer Schutzschicht versehen ist.

9. Kühlanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der gemeinsamen Berührungszone zwischen der Fassung des bzw. jedes Halbleiterbauelementes und dem Kühlkörper eine elektrische Leitungsbrücke, die sich zu einem vom Kühlkörper getragenen Anschluß erstreckt, in einem Kontakt mit der Fassung des Halbleiterbauelementes eingespannt ist.

10. Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitungsbrücke an ihrem freien Ende sowohl mit einem Lötösenanschluß als auch mit einem Schraubanschluß versehen ist.

11. Kühlanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile des Schraubanschlusses teilweise innerhalb der Raumform des Kühlkörpers liegen.

12. Kühlanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper sowohl mit einer Aussparung für den Schaft einer Schraube als auch einer solchen für die drehsichere Fassung einer Mutter versehen ist, in welche die Schraube mit ihrem Schaft eingedreht werden kann.

13. Verfahren zur Herstellung einer Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach der gegenseitigen räumlichen Zuordnung der Kühlfahnen in ihrer betriebsmäßigen Lage der sie zu einer Einheit verbindende Steg durch einen Gießprozeß erzeugt wird.

14. Kühlanordnung für mehrere Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zu einer baulichen Einheit vereinigt sind.

15. Kühlanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigung der Kühlanordnungen für ein einzelnes Halbleiterbauelement zu einer baulichen Einheit über an einzelnen Kühlfahnen angebrachte Verlängerungen erfolgt.

16. Kühlanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigung zu einer baulichen Einheit über Zwischenkörper erfolgt.

17. Kühlanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkörper aus Isoliermaterial oder isoliertem Material bestehen.

18. Kühlanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigung der Kühlanordnung für ein einzelnes Halbleiterbauelement zu einer baulichen Einheit mittels Paßflächen über einen gemeinsamen Träger erfolgt.

19. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere an sich sonst bereits selbständige Kühlkörper als anteilige Kühlkörper der Kühlanordnung in axialer Richtung gegebenenfalls über solche Zwischenkörper zu einem gemeinsamen Kühlblock vereinigt sind, die an dem einen Ende eine Passung entsprechend dem dem Halbleiterbauelement zugewandten Ende des Kühlkörpers und an dem anderen Ende eine Passung entsprechend dem für die Verbindung mit einem weiteren Träger gestalteten Ende des Kühlkörpers aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1010 186,
950;

deutsche Auslegeschrift G14014 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 4.10.1956);

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1773 097;

britische Patentschriften Nr. 816 221, 817 746;

»Electronics«, Bd. 28 (1955), Aprilheft, S. 146 bis 149;

»Radio and Television News« (1958), Märzheft, S. 70, 71 und 142, 143;

»Radio Electronics«, Bd. 30 (1959), Heft 10, S. 34 bis 38.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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