DE1514406C - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

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Der große Aufwand, den das Parallelschalten von zu erwarten wäre — die entscheidenden Kriterien Stromtoren und auch Gleichrichtern erfordert, hat des der Erfindung zugrunde liegenden Problems darden Wusch nach Halbleiteranordnungen mit höheren stellen. Es wurde nämlich gefunden, daß es für die Nennstromstärken, also größeren Elektrodenflächen, vorliegende Problemstellung nicht ausreichend ist, zur Folge. Bei der Entwicklung von solchen Halb- 5 etwa entsprechend der Lehre der deutschen Auslegeleiteranordnungen bereitet die Abfuhr der Verlust- schrift 1 026 434 den Wärmeableitkörper im Ver» wärme Schwierigkeiten, während sich die elektrischen gleich zum Halbleiterelement relativ groß auszubilden Qualitäten nicht wesentlich verschlechtern und auch und dabei auf die bekannte Wasserkühlung überder äußere Aufbau technologisch keine grundsätz- zugehen. Eine Vergrößerung des Wärmeableitkörpers liehen Schwierigkeiten bereitet. Die Verlustwärme io bringt nämlich auch eine Erhöhung der thermischen muß über einen Wärmewiderstand abgeführt werden, Zeitkonstante des Wärmeableitkörpers mit sich. Dies der sich zusammensetzt aus dem Wärmewiderstand bedeutet, daß der Wärmeableitkörper auch bei fofder Kühlvorrichtung, bestehend aus Wärmeableit- cierter Fremdkühlung zu träge ist, um Überlastungskörper und Kühlmittel, und dem des Halbleiter- stoße aufzufangen, d. h. um die erhöhte Wärmeelementes, das aus dem Halbleiterkörper mit den 15 energie unmittelbar von dem Halbleiterelement abElektroden und den gegebenenfalls vorhandenen An- leiten zu können. Dies ist auch bei der Anordnung schlußkörpern besteht. Das zur Wärmeabfuhr er- nach der schweizerischen „Patentschrift 347 578 der forderliche Temperaturgefälle ist begrenzt und durch Fall, die ebenfalls einen kühlkörper mit wesentlich die höchstzulässige Temperatur des Halbleiter- größeren Abmessungen als das Halbleiterelement materials und die Temperatur des Kühlmittels ge- 20 zum Gegenstand hat.

geben. Um den Durchlaßstrom proportional zur Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung

Elektrodenfläche steigern zu können, müßte die mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, an Summe der Wärmewiderstände umgekehrt propor- dessen Flachseiten je ein flüssigkeitsgekühlter Wärmetional der Flächengröße abnehmen. Der Wärme- ableitkörper angeordnet ist. Die Erfindung ist dawiderstand des Wärmeableitkörpers könnte zwar 25 durch gekennzeichnet, daß bei einer wirksamen durch Vergrößern der Kühlfläche oder durch forcierte Elektrodenfläche größer als 4 cm² der mit Anschluß-Kühlung fast beliebig verkleinert werden. Aus Grün- körpern versehene Halbleiterkörper in einem an sich den der Überlastbarkeit der Halbleiteranordnung ist bekannten Gehäuse mit den Halbleiterkörper überes aber ferner günstig, ein Verhältnis der beiden deckenden Stirnwänden angeordnet ist, wobei die Wärmewiderstände von 1 : 1 einzuhalten. Man er- 30 Stirnwände des Gehäuses unmittelbar einerseits mit reicht also ein Optimum, wenn es durch konstruktive den Anschlußkörpern und andererseits mit den Maßnahmen gelingt, beide Wärmewiderstände in Wärmeableitkörpern in Berührung stehen und die gleichem Maße zu erniedrigen. Auflagefläche der Wärmeableitkörper etwa gleich der '

Es sind Halbleiteranordnungen, beispielsweise Scheibenfläche des Halbleiterkörpers ist. Siliziumgleichrichter und Siliziumstromtore bekannt, 35 Die Erfindung wird an Hand. einiger Aus-

bei denen ein scheibenförmiges Halbleiterelement in führungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren ein flaches, . symmetrisch gebautes Gehäuse ein- näher erläutert. F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch geschlossen ist. An jeder Stirnseite des Gehäuses ist eine ein Stromtor darstellende Halbleiteranordnung, ein Wärmeableitkörper angebracht, der aus einem wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist. Der den elektrischen Strom und Wärme gut leitenden 40 scheibenförmige Halbleiterkörper 2 von z. B. 3,3 cm Metall, beispielsweise Kupfer, besteht. In dieser An- Durchmesser liegt zwischen den zwei Anschlußordnung wird die Verlustwärme gleichmäßig nach körpern 3 aus einem Metall, z. B. Molybdän, das etwa beiden Seiten abgeführt und damit der Wärme- denselben Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbwiderstand des Halblciterelementes halbiert (vgl. leitermaterial besitzt. Die Folien 4 aus duktilem gut Siemens Zeitschrift 1963, Heft 4, Seite 299). Die 45 leitendem Metall sind an den Stirnseiten des Keramik-Wärmeableitkörper dieser Halbleiteranordnung sind ringes 5 angelötet und bilden die Stirnwände des Geplattenförmig ausgeführt und weisen einen Durch- häuses für das Halbleiterelement. Die Stirnwände messer auf, der wesentlich größer ist als der des Halb- können auch aus einem plattenartigen Mittelteil und Icitcrclenientcs. Bei dieser Anordnung ist man also einem Randteil bestehen, der den Mittelteil mit dem davon ausgegangen, die Belastbarkeit dadurch zu er- 50 Keramikring federnd verbindet. An den Stirnseiten höhen, daß man den Wärmewiderstand des Kühl- sind Wärmeableitkörper 6 aus einem gut leitenden körpers möglichst klein macht. _# Metall, beispielsweise Kupfer, angebracht, die über

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei ' die Stutzen 7 und, mit der Zeichenebene als Spiegeleiner Halbleiteranordnung den Wärniewiderstand der ebene, zu diesen spiegelbildlich angeordneten Kühlvorrichtung durch Flüssigkeitskühlung so zu er- 55 Stutzen an ein geschlossenes Kühlsystem angeschlosniedrigen, daß die Halbleiteranordnung an Überlast- sen sind. Um eine günstige Kühlmittelströmung in barkeit nichts einbüßt. Nur nach Lösung dieser Auf- dem Wärmeableitkörper zu erreichen, können die gäbe erweist es sich als zweckmäßig, größere wirk- Stutzenöffnungen durch eine Wand getrennt werden, same F.lcktrodcnfliichcn zu verwenden. Auf diese die von dem Mantel bis zur Achse des zylindrischen Weise können z. Fi. in einem Halbleiterelement mit 60 Hohlraumes reicht. Die Stutzen können auch diaeiner wirksamen F.lektrodcnflächc von 6 cm- zu- mctral angeordnet sein. Das Kühlmittel, beispielslässige Slromdichten erreicht werden, die in bisher weise öl oder destilliertes Wasser, kann von einer gebräuchlichen Anordnungen nur bis zu einer Pumpe angetrieben und mit öl. Wasser oder Luft Fl;ichenj;r<)ße von 1,5 cm- /uliissi» waren. riickeckiihlt werden. F.in in axialer Richtung auf das

Die Hrf'indung geht von der neuen und für den 65 Halbleiterelement wirkender Druck, der in einem F-'iichmann überraschenden Erkenntnis aus, daß die Spannrahmen — in der Figur nicht dargestellt — er-(irößc de·, Wiirnieableitkörpers und die Verwendung zeugt werden kann, ergibt gute elektrische und der Flüssigkeitskühlung allein nicht — wie an sich thermische Kontakte.

Wie in der Fig. 2 veranschaulicht ist. können Halbleiteranordnungen, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet sind, zu Stapelsystem zusammengebaut werden. Dagegen ist das Stapeln von luft-, gekühlten Halbleiteranordnungen gleicher Nennströme wegen den zu großen Wärmeableitkörpern nicht möglich. Nach Fig. 2 sind sechs in Gehäuse eingeschlossene Halbleiterelemente 32 bis 37 und Wärmeableitkörper 8 bis 14 nach dem Schema der F i g. 2 a zu einer dreiphasigen Gleichrichterbrückenschaltung zusammengebaut. Die im Innern des Stapels befindlichen Wärmeableitkörper 9 bis 13 sind mit doppelt so großer Kühlleistung wie die Wärmeableitkörper 8 und 14 an den Enden des Stapels ausgeführt. Um den schädlichen elektrischen Neben-Schluß zu den Halbleiterelementen, der bei großer Potentialdifferenz zwischen den Wärmeableitkörpern durch das Kühlmittel und dessen Leitungen verursacht wird, zu vermeiden, muß gegebenenfalls anstatt eines gemeinsamen Kühlsystems mit geschlossenem Umlauf für jeden' Wärmeableitkörper ein eigenes geschlossenes Kühlsystem vorgesehen werden. Die Anschlußfahnen für die elektrischen Zuleitungen können an die Wärmeableitkörper angelötet werden. Die Stirnwände der Gehäuse können sowohl nach innen mit den Anschlußkörpern als auch nach außen mit den Wärmeableitkörpern über lotfreie Druckkontakte verbunden sein. Für sämtliche Druckkontakte des gesamten Stapels ist ein gemeinsames Druckerzeugungsmittel, beispielsweise ein Spannrahmen 15 mit den Druckplatten 16, 17 und 18 und Kraftspeichern, z. B. Federplatten 19 und 20, vorgesehen. Zwischen den Druckplatten 16 und 17 ist ein linsenförmiger Druckkörper 21 angebracht, um über den ganzen Querschnitt des Stapels einen gleichmäßigen Druck zu erzeugen. Der Spannrahmen ist durch die Scheiben 22 und 23 gegen den Stapel isoliert.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, an dessen Flachseiten je ein flüssigkeitsgekühlter Wärmeableitkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer wirksamen Elektrodenfläche größer als 4 cm² der mit Anschlußkörpern (3) versehene Halbleiterkörper (2) in einem an sich bekannten Gehäuse (4, 5) mit den Halbleiterkörper

(2) überdeckenden Stirnwänden (4) angeordnet ist, wobei die Stirnwände (4) des Gehäuses (4, 5) unmittelbar einerseits mit den Anschlußkörpern

(3) und andererseits mit den Würmeableitkörpern (6) in Berührung stehen und die Auflagefläche der Wärmeableitkörper (6) etwa gleich der Scheibenfläche des Halbleiterkörpers (2) ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkörper (3) mit den Stirnwänden (4) des Gehäuses (4, 5) über einen lotfreien Druckkontakt verbunden sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnwand (4) des Gehäuses (4, 5) und dem flüssigkeitsgekiihlten Wärmeableitkörper (6) eine Verbindung durch Druckkontakt besteht.

4. Halbleiterahordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwände (4) des Gehäuses (4, 5) sowohl nach innen mit den Anschlußkörpern (3) als auch nach außen mit den flüssigkeitsgekühlten Wärmeableitkörpern (6) durch lotfreie Druckkontakte verbunden sind und sämtliche Druckkontaktverbindungen unter dem Druck eines gemeinsamen Druckerzeugungsmittels (15) stehen.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicfihet, daß mehrere in Gehäuse eingeschlossene Halbleiterelemente (32 bis 37) mit beiderseits des Gehäuses angeordneten, mit Flüssigkeit gekühlten Wärmeableitkörpern (8 bis 14) zu einem Stapel aufgereiht sind.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Gehäuse eingeschlossene Halbleiterelemente (32 bis 37) und Wärmeableitkörper (8 bis 14) in abwechselnder Reihenfolge zu einem Stapel aufgereiht sind und daß die im Inneren des Stapels befindlichen Wärmeableitkörper (9 bis 13) mit doppelt so großer Kühlleistung wie die Wärmcableitkörpcr (8, 14) an den Enden des Stapels ausgeführt sind.

7. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für sämtliche Druckkontakte des gesamten Stapels ein gemeinsames Druckerzeugungsmittcl vorgesehen ist.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (2) aus Silizium besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen