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In einer isolierenden Masse vergossenes Halbleiterelement Bei Halbleiteranordnungen
mit einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere bei Gleichrichterelementen dieser
Art, werden im Betrieb erhebliche Verlustleistungen auf kleinem Raum frei, die als
Wärme an die Umgebung abgeführt werden müssen. In der Regel ist das eigentliche
Halbleiterelement über einc Elektrodenplatte, die etwa den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Halbleiterkristall, flächenhaft mit einem
massiven metallischen Körper, z. B. dem Boden eines Kupfer-,gehäuses, verbunden,
der die Wärme über Kühlrippen oder dergleichen an die Umgebung abführt.
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Es sind ferner Halbleiter-, z. B. Transistoranordnungen mit einem
geschlossenen metallischen Ge-
häuse bekannt, bei denen die Basisplatte des
Halbleiterelements mit einein nietallischen Hohl- oder Vollzylinder verbunden ist,
der an der Innenwand des Gehäuses anlie-t und die Auf2abe hat, die Vorlustwärme
des Halbleitereleinents an das Gehäuse abzuführen.
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Bei kleineren Halbleiteranordnungen geht die Tendenz dahin, den hohen
Aufwand für ein hermetisch abgeschlossenes metallisches Gehäuse zu vermeiden; man
hat insbesondere bereits versucht, das aus dem Halbleiterkristall. den Elektroden
und den Anschlußleitungen bestehende Halbleiterelement vollständig mit einem isolierenden
Kunststoff zu um#,ießeii. Hierbei ergaben sich wegen der geringen C C C
Wärmeleitfähigkeit
der zur Verfügung stehenäen Kunststoffe erhebliche Schwierigkeiten bei der Wärmeabführung.
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Die vorlic#,ende Erfindun01 bezieht sich auf ein in einer isolierenden
Masse veraossenes Halbleiterelemeilt mit einkristallinem Halbleherkörper und einer
ebenen, etwa den aleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper
aufweisenden Elektrodenplatte. Sie besteht darin, daß an der Kante der Elektrodenplatte
und etwa senkrecht zu der Ebene der letzteren mindestens eine inetallische Kühlplatte
befes,i,-t ist, deren von der Ver-ußmasse ein-ehüllte Kühlfläche mindestens etwa
ebenso groß ist wie die der Elektrodenplatte. Durch die gern- g ä ß der Erfindung
zr vor-esehene -- zusätzliche Kühlplatte wird die Verlustwärme des Elenientes zunächst
auf ein -rößeres Volumen der Ver-lißmasse verteilt, von dem sie dann über entsprechend
große Querschnitte an die Oberfläche des Gehäuses abfließt. Es hat sich gezeigt.
daß durch eine derartige angeordnete Kühlplatte die Belastbarkeit eines Halbleiterelementes,
insbesondere eines Gleichrichters, wesentlich erhöht wird. Ein weiterer Vorteil
der voraeschlaorenen Aiiordnun,1 besteht darin, daß die Kühlplatte nur wenig zusätzlichen
Raum beansprucht, da senkrecht zur Ebene der Elektrodenplatte wegen der Anschlüsse
des Halbleitereiementes ohnehin Platz vorhanden sein muß. Mit Vorteil ist die Kühlplatte
an der Elektrodenplatte durch Punktschweißung befestigt. Bei Verwendung von Silizium
oder Germanium als Halbleiter kommen für die Elektrodenplatte in erster Linie Molybdän
oder Wolfram in Frage. Bei Elektrodenplatten aus diesen Stoffen besteht die Kühlplatte
vorzugsweise aus einem Metall der Eisengruppe (Eisen, Kobalt, Nikkel); diese Metalle
bilden mit Molybdän oder Wolfram Le-ierungen und lassen sich daher gut mit ihnen
verschweißen. Die Kühlplatte kann gleichzeitig eine elektrische Stroinzuführuna
zum Element bilden.
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Bei kreisseheibenförmi-en Elektrodenplatten genügt es erfahrungsgemäß,
die Kühlplatte tangential an einem Punkt der Kante festzuschweißen. Besitzt jedoch
die Elektrodenplatte einen geradlinigen Randteil, ist sie also z. B. rechteckig,
so kann die Kühlplatte zur weiteren Verbesserung des Wärmeüber-Canges mit mehreren
Randpunkten verschweißt werden. Bei Anwendung der Erfindung wird die Kühlung der
Halbleiterelemente derart verbessert, daß auch Anordnungen mit zwei Halbleitereleinenten
und -emeinsamer Elektrodenplatte, z. B. in C
Mittelpunktschaltung, in eine
isolierende Masse eingebettet werden können.
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Die F i -. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
In den F i g. 1 bis 3 ist in vergrößertem
Maßstab ein Silizium-Kleingleichrichter dargestellt. Das eigentliche Halbleiterelement
ist mit 1 bezeichnet. Der etwa quadratisch geschnittene Siliziumkristall
2 des Elementes, der in an sich bekannter Weise zur Herstellung eines pn-überganges
dotiert ist, besitzt auf der einen Seite eine Goldelektrode 3; auf der anderen
Seite ist er über eine dünne Aluminiumschicht 4 mit einer Elektrodenplatte
5 aus Molybdän verbunden. An die Goldelektrode 3 ist ein Anschlußdraht
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aus Silber angelötet.
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An die Kante der kreisscheibenförmigen Molybdän-Elektrodenplatte
5 ist eine Kühlplatte 7 derart angeschweißt, daß ihre Ebene senkrecht
zur Ebene der Elektrodenplatte 5 steht. Die Kühlplatte 7 besteht aus
Eisen; sie besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa die 2,5-fache Fläche
der Elektrodenplatte 5. Mit der Kühlplatte 7 ist, ebenfalls durch
Punktschweißung, der zweite Anschlußdraht 8 des Halbleiterelementes, der
aus Kupfer bestehen kann, verbunden. Die Kühlplatte 7 dient also gleichzeitig
als Stromzuführung zur Elektrodenplatte 5 und damit zu dem Halbleiterelement
1. Mit der Zwischenschaltung eines aus Eisen bestehenden Leiters zwischen
der Elektrodenplatte 5 und dem nach außen führenden Anschlußdraht
8 ist gleichzeitig eine vorteilhafte Lösung des Problems gegeben, eine Stromzuführung
mit der Molybdänplatte 5
zu verbinden; ein Draht aus Kupfer oder Silber würde
sich nämlich nicht unmittelbar mit Molybdän oder Wolfram verschweißen lassen, da
diese Metalle keine Legierungen miteinander bilden.
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Die beiden Anschlußdrähte 6 und 8 sind durch Bohrungen
eines Steges 9 geführt; der Abstand der Bohrungen ist entsprechend der Norm
für gedruckte Schaltungen gleich 2,5 mm oder einem Vielfachen davon.
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Die bisher besc#iriebene Anordnung wird nunmehr in einem vorgefertigten
Becher 10 aus Isolierstoff vergossen. Hierzu wird der Innenraum des Bechers
10 mit einer geeigneten Masse, z. B. einem Gemisch aus Epoxyd-Gießharz und
Quarzmehl im Verhältnis 1 : 3 gefüllt; das Element 1 wird dann in
die noch flüssige Masse versenkt. Die Menge der Vergußmasse soll so gewählt werden,
daß ihr Meniskus bei der fertigen Anordnung etwa durch die gestrichelte Linie 11
gegeben ist. Es ist nicht erwünscht, daß der Meniskus über den Rand des Bechers
10
hinausragt, da bei der Verwendung der Anordnung in gedruckten Schaltungen
eine sichere Auflage des Becherrandes auf der Schaltungsplatte anzustreben ist.
Wie insbesondere aus F i g. 3 ersichtlich ist, sind zwei Innenwände des Bechers
10 mit Aussparungen 12 versehen, in die die Ränder der Kühlplatte
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hineinragen. Durch die Aussparungen 12 wird erreicht, daß die aus dem Halbleiterelement
1 und der Kühlplatte 7 bestehende Anordnung nur in einer Richtung
in den Becher versenkt werden kann, so daß Durchlaß- und Sperrichtung des Elementes
mit den auf der Außenseite des Bechers 10 eingeprägten Polungszeichen übereinstimmen.
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Das Halbleiterelementl, insbesondere der Siliziumkristall2, kann vor
dem Vergießen in an sich bekannter Weise mit einem alizarinhaltigen Lack überzogen
werden. Derartige Lacke erhöhen erfahrungsgemäß die Sperrfähigkeit von pn-Gleichrichtern.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das gesamte Halbleiterelementl einschließlich
der angeschweißten Kühlplatte7 vor dem Vergießen in einen Lack zu tauchen, in dem
in feiner Verteilung Glimmerblättchen suspendiert sind. Die Verwendung derartiger
Lacke für einkristalline Halbleiteranordnungen ist an sich bekannt. Im vorliegenden
Fall hat der Glimmerlack den besonderen Vorteil, daß er auch nach der Aushärtung
eine erhebliche Elastizität und daher das Halbleiterelementl gegen die Einwirkung
von Kräften schützt, die bei dem Erstarren der Vergußmasse und bei Erwärmung des
Elementes im Betrieb auftreten können.
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In den F i g. 4 und 5 ist eine Anordnung dargestellt,
bei der zwei Halbleiterelemente beiderseits einer gemeinsamen Elektrodenplatte in
Mittelpunktschaltung angeordnet sind. Die z. B. aus Molybdän bestehende Elektrodenplatte
ist hier mit 15 bezeichnet; sie hat eine rechteckige Form. Beiderseits der
Elektrodenplatte 15 befindet sich ein Gleichrichterelement mit einem Siliziumkristall
16, einer Goldelektrode 17 und einer Aluminiumzwischenschicht
18. Die Goldelektroden 17 sind mit je einem Anschlußdraht
19 verlötet.
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An zwei gegenüberliegenden Kanten der-Elektrodenplatte 15 sind
Kühlplatten 20 aus Eisen angeschweißt. Da die Kanten der Elektrodenplatte
15
geradlinig sind, können in diesem Falle mehrere nebeneinanderliegende Punktschweißungen
vorgenommen werden, so daß die Wärmeabführung von der Platte 15 auf die Kühlplatten
20 erleichtert wird. Mit einer der Kühlplatten 20 ist ein Anschlußdraht 21 verschweißt,
der den Mittelpunktanschluß der Schaltung bildet.
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Die Anordnung nach den F i g. 4 und 5 wird in der gleichen
Weise weiterbehandelt und in einem Becher vergossen, wie es im Zusammenhang mit
den F i g. 1 bis 3 beschrieben wurde.
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In entsprechender Weise wie bei der Anordnung nach den F i
g. 4 und 5 kann auch eine Einheit mit zwei Halbleiterelementen in
Verdopplerschaltung ausgebildet werden, bei welcher die beiderseits der Elektrodenplatte
15 angeordneten Einzelelemente die gleiche Durchlaß- bzw. Sperrichtung besitzen.