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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Baustein, bestehend
aus einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen mit durch deren Gehäuseboden geführten
Anschlüssen und weiter bestehend aus einem metallischen Kühlkörper als Träger für
die Halbleiterbauelemente und anderen mit diesen zusammenarbeitenden elektrischen
Bauelementen.
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Ein derartig ausgebildeter elektronischer Baustein ist bekannt (deutsche
Auslegeschrift 1268 682; schweizerische Patentschrift 449 751). Der Baustein
macht als Träger von einem metallischen Kühlkörper aus Kupfer Gebrauch, auf dessen
ebener Vorderseite eine als gedruckte Schaltung ausgebildete Widerstandsplatte angeordnet
ist, während die Rückseite des Kühlkörpers die Halbleiterbauelemente trägt. Die
Rückseite ist ferner derart ausgebildet, daß sich zwei Gruppen von Kühlrippen ergeben,
die einen solchen Abstand voneinander haben, daß zwischen diesen Gruppen die Halbleiterbauelemente
auf der Rückseite des Kühlkörpers montierbar sind. Die Halbleiterbauelemente und
die weiteren notwendigen elektrischen Bauelemente (Widerstände, Dioden u. dgl.)
sind also auf verschiedenen Seiten des Kühlkörpers angeordnet. die Anschlußleitungen
der Halbleiterbauelemente sind unisoliert durch Bohrungen der Kühlkörperplatte geführt
und sind von der Vorderseite aus mit bestimmten Schaltungspunkten der auf dieser
Vorderseite befindlichen elektrischen Bauelemente verbunden.
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Wie auch in den genannten Literaturstellen angeführt, kann ein oder
mehrere dieser Bausteine als Stellglied beispielsweise in elektronisch geregelten
Netzgeräten verwendet werden oder auch als Endstufen in Leistungs-Verstärkern.
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Bei den gewählten Abmessungen für den Kühlkörper kann dieser mit fünf
als Leistungs-Transistoren ausgebildeten Halbleiterbauelementen bestückt werden.
Vier dieser Transistoren sind parallelgeschaltet, und ein Transistor bildet die
Treiberstufe. Da der Kollektor der Transistoren an deren Metall- , gehäuse geführt
ist und diese auf den Kühlkörper aufgesetzt sind, bildet dieser die Verbindung zwischen
den Kollektoren aller Transistoren.
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Der bekannte elektronische Baustein hat eine bestimmte Leistungsabgabe,
die durch die zulässige Verlustleistung der Halbleiterbauelemente festgelegt ist.
Es besteht nun jedoch der Wunsch nach elektronischen Bausteinen mit höherer Leistungsabgabe.
Dies ist prinzipiell möglich durch Erhöhung der Zahl der parallel zu schaltenden
Halbleiterbauelemente. Beim bekannten Baustein mit seiner Anordnung der Halbleiterbauelemente
auf der Rückseite des Kühlkörpers und der gleichfalls auf dieser Seite vorhandenen
Kühlrippen bedeutet dies jedoch eine Vergrößerung der Abmessungen des Kühlkörpers.
Dieser wird dadurch teurer, und es wird auch sein Gewicht größer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Baustein
mit erhöhter Leistungsabgabe zu schaffen, dessen Abmessungen und Gewicht gegenüber
dem bekannten elektronischen Baustein nicht vergrößert sind. Der Erfindung liegt
weiter die Aufgabe zugrunde, die Montage der auf dem Kühlkörper angeordneten Halbleiterbauelemente
und aller anderen elektrischen Bauelemente und deren Verdrahtung zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlkörper
aus einer einzigen, an einer seiner Oberflächen eben ausgebildeten Kühlplatte besteht,
auf der die Bauelemente montiert und kontaktiert werden und daß in dieser Oberfläche
Bohrungen für die durch den Gehäuseboden geführten Anschlüsse der Halbleiterbauelemente
und die Bohrungen schneidende Nuten für die Kontaktierung und die Herausführung
der Anschlußverlängerungen angebracht sind. Einer anderen Ausgestaltung entsprechend
sind in der Oberfläche Bohrungen für die durch den Gehäuseboden geführten Anschlüsse
der Halbleiterbauelemente angebracht, durch die diese Anschlüsse über Verlängerungen
auf die Rückseite des Kühlkörpers geführt sind, und in der Oberfläche sind weitere
Bohrungen angebracht, durch die die verlängerten Anschlüsse von der Rückseite auf
die Vorderseite des Kühlkörpers geführt sind. Einer anderen Ausgestaltung entsprechend
sind in der Oberfläche Bohrungen für Isolierstoff-Fassungen mit an die Oberfläche
geführten Kontakten für die Anschlüsse der Halbleiterbauelemente angebracht.
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Durch das Gebrauchsmuster 1994 028 ist ein elektronischer Baustein
bekannt. welcher aus einem Halbleiterbauelement mit durch den Gehäuseboden geführten
Anschlüssen und weiter aus einem metallischen Kühlkörper als Träger für das Halbleiterbauelement
besteht, wobei der Kühlkörper derart gestaltet ist und die durch den Gehäuseboden
geführten Anschlüsse des Halbleiterbauelementes derart ausgebildet sind. daß die
Montage des Halbleiterbauelementes und die Verbindung der Anschlüsse desselben von
einer einzigen Seite des Kühlkörpers erfolgt. Der Nachteil dieses bekannten Bausteines
besteht darin, daß das Halbleiterbauelement auf einem rechtwinklig gebogenen Wärmeleitblech
angeordnet ist und ein Schenkel dieses Wärmeleitbleches über eine elektrisch isolierende,
jedoch wärmeleitende Zwischenlage am Kühlkörper befestigt ist. Im Gegensatz hierzu
sitzen beim Erfindungsgegenstand die Halbleiterbauelemente direkt auf dem Kühlkörper
auf.
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Durch die deutsche Patentschrift 1197l68 ist ebenfalls ein elektronischer
Baustein bekannt, der eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen mit Anschlüssen verwendet
und bei dem der metallische Kühlkörper derart gestaltet und die Anschlüsse der aufgesetzten
Halbleiterbauelemente derart ausgebildet sind, daß die Montage der Halbleiterbauelemente
und aller anderen elektrischen Bauelemente und die Verbindung derselben von einer
einzigen Seite des Kühlkörpers erfolgt. Bei diesem bekannten Baustein sitzen die
Halbleiterbauelemente auf einer Isolierplatte, wobei die Halbleiterbauelemente in
dieser isoliert mit ihren spannungsführenden metallischen Kühlrippen befestigt sind.
Von diesen galvanisch getrennt, jedoch mit einem Geräteschrank leitend verbunden
und an diesem befestigt, sind weitere Kühlrippen eines Schutzkörpers. Auch bei diesem
bekannten Baustein sitzen die Halbleiterbauelemente nicht auf einer ebenen Fläche
des eigentlichen Kühlkörpers.
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Durch das deutsche Gebrauchsmuster 1751 741 ist es bekannt, Bohrungen
für die durch den Gehäuseboden geführten Anschlüsse und die Herausführung der Anschlußverlängerungen
in einer Kühlplatte vorzusehen. Ferner ist durch diese Literaturstelle das Einsetzen
von lsolierstoff-Fassunaen in derartige Bohrungen bekannt.
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Aus dem Gebrauchsmuster 1949 758 und der deutschen Patentanmeldung
S 19 657 ist es bekannt, für den Kühlkörper von elektronischen Bausteinen stranggepreßtes
Aluminium zu verwenden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines
schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt F i g.
1 den Baustein mit Kühlkörper und einseitig aufgebrachten Elementen, F i g. 2 eine
Vorderansicht des Bausteines, F i g. 3 die Gestaltung der durch den Gehäuseboden
geführten Anschlüsse der Halbleiterbauelemente und deren Zugänglichkeit von der
Vorderseite des Kühlkörpers aus, F i g. 4 eine weitere Möglichkeit der Zugänglichkeit
der durch den Gehäuseboden geführten Anschlüsse der Halbleiterbauelemente von der
Vorderseite des Kühlkörpers aus, F i g. 5 eine dritte Möglichkeit der Zugänglichkeit
der Anschlüsse, F i g. 6 die elektrische Schaltung des elektronischen Bauteils,
F i g. 7 die Anwendung von zwei elektronischen Bausteinen als Gegentaktendstufe
für einen Gleichspannungs-Leistungsverstärker.
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Wie den F i g. 1 und 2 zu entnehmen ist, hat der als Träger von elektrischen
Bauelementen dienende Kühlkörper 1 nur noch eine einzige ebene Oberfläche 2. Die
Abmessungen der Oberfläche 2 stimmen mit denen der Vorderseite des Kühlkörpers des
bekannten elektronischen Bausteines überein. Wie in der F i g. 1 angedeutet, sind
auf der Oberfläche 2 zehn Halbleiterbauelemente 3 bis 12 angeordnet. Diese Halbleiterbauelemente
sind handelsübliche Transistoren mit einem Metallgehäuse 13 und einem Boden 14,
durch den stiftförmige Anschlüsse 15 (Emitter und Basis) geführt sind. Wie insbesondere
den F i g. 3 und 4 zu entnehmen ist, liegen diese Anschlußstifte 15 in von der Oberfläche
2 ausgehenden Bohrungen 16 bzw. 20. In die Bohrungen 16, 20 sind beispielsweise
Isolierhülsen 17 eingesetzt. Die Bohrungen 16 werden von jeweils einer Nut 18 geschnitten,
die zur Herausführung von mit den Anschlüssen 15 verbundenen flexiblen Anschlußleitungen
19 dient. Aus Gründen der übersichtlichkeit sind in der F i g. 1 nur auf der linken
Seite des Kühlkörpers 1 fünf als Transistoren ausgebildete Halbleiterbauelemente
dargestellt, während diese auf der rechten Seite des Kühlkörpers 1 lediglich gestrichelt
angedeutet sind. Somit sind deutlich die Bohrungen 16, die in diese eingeführten
Hülsen 17 und die Rille 18 zu erkennen.
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Die Bohrungen 16, 20 können auch so groß gemacht werden, daß der Anschlußstift
15 mit der beispielsweise angelöteten Anschlußleitung 19 keinen Kontakt mit dem
Kühlkörper 1 macht. In diesem Falle entfällt das Isolierrohr 17. Die Anschlußstifte
15 der Halbleiterbauelemente brauchen selbstverständlich nicht auf einer Linie zu
liegen, wie dies in der F i g. 1 dargestellt ist. Werden die Halbleiterbauelemente
gegenüber der Stellung in der F i g. 1 leicht gedreht montiert, so kann die Oberfläche
2 mit zwei nebeneinanderliegenden Nuten versehen werden, welche die Löcher 16 für
die Stifte 15 schneiden.
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Die F i g. 4 zeigt eine Ausbildung, bei welcher die Nuten 18 vermieden
sind. Im Kühlkörper 1 ist für den Anschlußstift 15 ein Durchgangsloch 20 vorgesehen,
durch welches die Anschlußleitung 19 auf die Rückseite des Kühlkörpers 1 geführt
ist. Die Anschlußleitung 19 wird zwischen den Rippen 21 an eine nicht vom Halbleiterbauelement
bedeckte Bohrung 22 gebracht und durch diese Bohrung auf die Montage- und Kontaktierungsseite
des Kühlkörpers geführt.
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Der Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, daß der Arbeitsvorgang
der Herstellung der Nuten 18 eingespart wird.
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Durch die zweite Bohrung 22 können bei entsprechender Bemessung der
zweite Anschluß des Halbleiterbauelements oder auch Anschlüsse anderer Halbleiterbauelemente
geführt werden.
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Die an die Oberfläche 2 geführten Anschlußleitungen 19 haben auf der
Montageseite Schlaufenform, wie aus den Figuren ersichtlich ist. Dadurch ist eine
etwaige Demontage der Halbleiterbauelemente einfach möglich. Durch die Schlaufe
kann das jeweilige zu demontierende Halbleiterbauelement ohne weiteres genügend
von der Oberfläche 2 des Kühlkörpers abgehoben werden und die Verbindung von Stift
15 und Leitung 19 gelöst werden.
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In die Oberfläche 2 können aber auch nach der F i g. 5 aus Isolierstoff
bestehende Fassungen 40 für die Anschlußstifte 15 eingelassen sein. Die Fassungen
sind mit Metallkontakten 41 für die Stifte 15 versehen. Die Kontakte 41 haben eine
an die Oberfläche 2 geführte Anschlußfahne 42, an die ein Verlängerungsdraht angebracht
werden kann.
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Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß das direkte Anbringen
der Leitungen 19 (F i g. 3, 4) an den Anschlüssen 15 entfällt und dadurch eine weitere
Vereinfachung bei der Herstellung und für die Wartung (leichtes auswechseln der
Halbleiterbauelemente) erreicht ist.
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Auf der Oberfläche 2 des Kühlkörpers 1 ist ferner ein metallischer
Wärmekontaktsteg 23 angeordnet. Der Steg 23 hat zehn Nuten 24, wobei jede Nute einen
Emitterwiderstand 25 für je ein Halbleiterbauelement aufnimmt. Die zehn Emitterwiderstände
sind, wie nicht weiter dargestellt ist, auf einer als gedruckte Schaltung ausgebildeten
kleinen Platine angeordnet, welche in geeigneter Weise auf dem Steg 23 fest angeordnet
wird. Die Platine trägt Anschlüsse, an welche die Anschlußleitungen 19 der Halbleiterbauelemente
3 bis 12 angeschaltet werden. Die Emitterwiderstände 25 sind in den Steg 23 mit
Wärmeleitpaste eingesetzt. Gleiches gilt für die Halbleiterbauelemente 3 bis 12,
die ebenfalls mit Wärmeleitpaste auf die Oberfläche 2 aufgesetzt sind. Der Wärmekontaktsteg
23 ist nicht unbedingt erforderlich. Die Widerstände 25 können beispielsweise auch
in nicht weiter dargestellte Bohrungen des Kühlkörpers 1 eingelegt werden.
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Auf der Oberfläche 2 des Kühlkörpers 1 sind neben den Halbleiterbauelementen
und dem Wärmekontaktsteg drei Dioden 27 bis 29 und ein Bimetallschalter 30 angeordnet.
In der F i g. 2 ist eine parallele Anordnung von zwei Kühlkörpern 1, 1' angedeutet.
Die Kühlkörper sind seitlich durch Platten 26 abgedeckt, so daß sich ein geschlossener
Luftstromkanal ergibt. Die F i g. 6 zeigt die elektrische Schaltung des Bausteines.
Diese ist durch die in der Beschreibungseinleitung genannten Literaturstellen grundsätzlich
bekannt.
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Der Eingangskreis ist ein Treibertransistor 3, in dessen Emitterleitung
der Bimetallschalter 30 angeordnet ist. 31 ist die Eingangsklemme. Dem Transistor
3 sind die Transistoren 4 bis 12 nachgeschaltet, die alle parallelgeschaltet sind.
Die Kollektoren aller Transistoren 3 bis 12 liegen am Kühlkörper 1. An diesen sind
auch die Kathoden der Dioden 27, 28
geführt. Die Anoden dieser Dioden
liegen an Klemmen 32, 33. Parallel zu den Transistoren liegt die Diode 29, welche
die Transistoren gegen etwa auftretende Überspannungen schützt. In den Emitterleitungen
der Transistoren 4 bis 12 sind Ausgleichswiderstände 25 angeordnet. In Serie
mit diesen Widerständen liegt ein gemeinsamer Widerstand 38. Dieser wird von dem
Gesamtstrom der Transistoren durchflossen. Wie beim bekannten elektronischen Baustein
kann dieser Widerstand dazu dienen, eine Spannung zu erzeugen, die eine nicht weiter
dargestellte Strombegrenzungsschaltung beeinflußt.
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Die F i g. 7 zeigt eine aus zwei elektronischen Bausteinen 1, 1' bestehende
Endstufe eines Gleichspannungsverstärkers mit einem zweistufigen besonderen Vorverstärker
36, der nicht auf den jeweiligen Baustein gebracht ist. Mit 37 ist ein aus dem Wechselstromnetz
gespeistes Netzteil bezeichnet, welches zwei Speisespannungen U1, U#, erzeugt. Wie
ersichtlich, sind die Dioden 27, 28 zur Gleichrichtung der vom Netzteil 37 erzeugten
Wechselspannung herangezogen. Als an die Endstufe 1, 1' angeschalteter Verbraucher
ist ein Motor V vorgesehen.
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Die grundsätzliche Wirkungsweise der Schaltung nach der F i g. 7 ist
aus einer der genannten Literaturstellen bekannt, so daß hierauf nicht weiter eingegangen
zu werden braucht.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß ein elektronischer Bauteil erreicht ist, dessen Leistungsabgabe gegenüber dem
bekannten elektronischen Baustein beträchtlich erhöht ist (zulässige Verlustleistung
eines als Stellglied verwendeten bisherigen Bausteines etwa 250 W, nunmehrige zulässige
Verlustleistung etwa 400 W), ohne daß dabei die Abmessungen des Bausteines vergrößert
sind. Durch die Anwendung von stranggepreßtem Aluminium für den Kühlkörper, dem
beispielsweise die dargestellte Form durch zusätzliche Bearbeitung gegeben ist,
ergibt sich trotz Leistungserhöhung des Bausteines eine beträchtliche Gewichtsverminderung
desselben gegenüber dem bekannten Baustein. Trotz des Mehraufwandes an Halbleiterbauelementen
ergibt sich durch den billigeren Aluminiumkühlkörper und die einfachere Montage
und Verdrahtung auf nur einer Seite des Kühlkörpers eine wirtschaftlichere Fertigung
und Wartung desselben. Bei der bekannten Ausbildung (deutsche Auslegeschrift
1268 682, F i g. 4) mit zwei Kühlkörpern ergibt sich eine ungünstige Montage
und Wartung. Bei Ausfällen müssen die Kühlkörper unter Umständen erst ausgebaut
werden, um an auf der Rückseite des Kühlkörpers angeordnete Teile herankommen zu
können. Dieser Aufbau entfällt nunmehr, da auch bei mehreren zusammengebauten Kühlkörpern
nur die zugänglichen Außenflächen desselben Bauelemente tragen und auch alle Verbindungen
von diesen Außenseiten zugänglich sind. Der verwendete Aluminium-Kühlkörper ist
durch die ihm gegebene Geometrie bezüglich seines Wärmeableitwiderstandes besser
als der Kupfer-Kühlkörper des bekannten elektronischen Bausteines. Der Kühlkörper
des in den Ansprüchen gekennzeichneten Bausteines hat mehr Kühlrippen, wobei diese
stärker sind, und ebenfalls ist auch der »Rücken« stärker geworden.
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Durch die einseitige Montage der Halbleiterbauelemente auf dem Kühlkörper
ist gegenüber dem Kühlkörper des bekannten Bausteines zusätzlicher Raum für Kühlrippen
gewonnen worden. Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, besteht die »Rückseite<; des
Kühlkörpers 1 vollständig aus Kühlrippen 21. Beim Kühlkörper des bekannten Bausteines
durfte die Dicke des plattenförmigen Montageteiles für die Halbleiterbauelemente
nicht zu groß sein. da die durch die Bohrungen dieses plattenförmigen Montageteiles
geführten Anschlußstifte der Halbleiterbauelemente zugänglich sein mußten. Damit
war die Dicke dieses plattenförmigen Montageteiles festgelegt. Dies wirkte sich
ungünstig auf die Wärmeübertragung Halbleiterelement - Kühlrippen aus, da ein bestimmter
Wärmewiderstand nicht unterschritten werden konnte, was jedoch erwünscht wäre. Im
Gegensatz hierzu kann die entsprechende Dicke d (F i g. 2) bei dem in den Ansprüchen
gekennzeichneten elektronischen Baustein beliebig gewählt werden.
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Beim bekannten elektronischen Baustein können auf den Kühlkörper fünf
Halbleiterbauelemente aufgebracht werden. Beim vorliegenden elektronischen Baustein
können bei Gleichen Abmessungen zehn Halbleiterbauelemente aufgebracht werden.
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Der Kühlkörper 1 kann an sich eine beliebige geometrische Form haben.
Voraussetzung ist lediglich. daß eine ebene Oberfläche vorhanden ist. Demnach könnte
der Kühlkörper beispielsweise auch ein L-Profil mit Kühlrippen haben. Die Erfindung
ist auch mit Vorteil bei flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern anwendbar.