DE1209209C2 - In einer isolierenden Masse vergossenes Halbleiterelment - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

S 75020 VIII c/21g
24. Juli 1961
20. Januar 1966
28. Juli 1966

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

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 eine Elektrodenplatte, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Halbleiterkristall, flächenhaft mit einem massiven metallischen Körper, z. B. dem Boden eines Kupfergehäuses, verbunden, der die Wärme über Kühlrippen oder dergleichen an die Umgebung abführt.

Es sind femer Halbleiter-, z. B. Transistoranordnungen mit einem geschlossenen metallischen Gehäuse bekannt, bei denen die Basisplatte des Halbleiterelements mit einem metallischen Hohl- oder Vollzylinder verbunden ist, der an der Innenwand des Gehäuses anliegt und die Aufgabe hat, die Verlustwärme des Halbleiterelements an das Gehäuse abzuführen.

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 umgießen. Hierbei ergaben sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der zur Verfügung stehenden Kunststoffe erhebliche Schwierigkeiten bei der Wärmeabführung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein in einer isolierenden Masse vergossenes Halbleiterelement mit einkristallinem Halbleiterkörper und einer ebenen, etwa den gleichen 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 metallische Kühlplatte befestigt ist, deren von der Vergußmasse eingehüllte Kühlfläche mindestens etwa ebenso groß ist wie die der Elektrodenplatte. Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene zusätzliche Kühlplatte wird die Verlustwärme des Elementes zunächst auf ein größeres Volumen der Vergußmasse 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 vorgeschlagenen Anordnung besteht darin, daß

In einer isolierenden Masse vergossenes
Halbleiterelement

Patentiert für:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Georg Hoppe,

Jörg Hafner, Berlin;

Dipl.-Ing. Erich Waldkötter, München

die Kühlplatte nur wenig zusätzlichen Raum beansprucht, da senkrecht zur Ebene der Elektrodenplatte wegen der Anschlüsse des Halbleiterelementes 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, Nikkei); diese Metalle bilden mit Molybdän oder Wolfram Legierungen und lassen sich daher gut mit ihnen verschweißen. Die Kühlplatte kann gleichzeitig eine elektrische Stromzuführung zum Element bilden.

Bei kreisscheibenförmigen 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 Wärmeüberganges mit mehreren Randpunkten verschweißt werden. Bei Anwendung der Erfindung wird die Kühlung der Halbleiterelemente derart verbessert, daß auch Anordnungen mit zwei Halbleiterelementen und gemeinsamer Elektrodenplatte, z. B. in Mittelpunktschaltung, in eine isolierende Masse eingebettet werden können.

Die F i g. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

609 636/256

In den Fig. 1 bis 3 ist in vergrößertem Maßstab einSilizium-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 6 aus Silber angelötet.

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 S 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.

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.

Die bisher beschriebene 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 Fig. 3 ersichtlich ist, sind zwei Innenwände des Bechers 10 mit Aussparungen 12 versehen, in die die Ränder der Kühlplatte 7 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.

Das Halbleiterelement 1, insbesondere der Siliziumkristall 2, 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 Halbleiterelement 1 einschließlich der angeschweißten Kühlplatte 7 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 Halbleiterelement 1 gegen die Einwirkung von Kräften schützt, die bei dem

ίο Erstarren der Vergußmasse und bei Erwärmung des Elementes im Betrieb auftreten können.

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 GoIdelektrode 17 und einer Aluminiumzwischenschicht 18. Die Goldelektroden 17 sind mit je einem Anschlußdraht 19 verlötet.

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.

Die Anordnung nach den Fig. 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.

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.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. In einer isolierenden Masse vergossenes Halbleiterelement mit einkristallinem Halbleiterkörper und einer ebenen, etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper aufweisenden Elektrodenplatte, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kante der Elektrodenplatte und etwa senkrecht zu der Ebene der letzteren mindestens eine metallische Kühlplatte befestigt ist, deren von der Vergußmasse eingehüllte Kühlfläche mindestens etwa ebenso groß ist wie die der Elektrodenplatte.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte an der Elektrodenplatte durch Punktschweißung befestigt ist.

3. Halbleiterelement nach Anspruch 2 mit einer Elektrodenplatte aus Molybdän oder Wolfram, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte aus einem Metall der Eisengruppe besteht.

4. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte eine elektrische Stromzuführung zum Element bildet.

5. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte einen geradlinigen Randteil aufweist, an dem die Kühlplatte befestigt ist.

6. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte beiderseits einen Halbleiterkörper trägt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1045 551; deutsche Gebrauchsmuster Nr. 1784 807, 807 988;

USA.-Patentschrift Nr. 2 809 332;

»Elektronische Rundschau«, Bd. 15 (1961), H. I₇ S. 15 bis 18.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen