DE1815989A1 - Halbleiter-Anordnung - Google Patents

Halbleiter-Anordnung

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Description

SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH.
8500 Nürnberg , Wiesentalstraße hO Telefon 0911/3301^1, 33I8I3 - Telex 06/22155
Datum: 17· Dezember I968 1 O Ί 5 υ 0 9 Unser Zeichen: I 1368O6
Halbleiter - Anordnung
Bauteile für Halbleiter-Anordnungen, insbesondere Gehäuse oder Hüll- und Trägerkörper, aus Kunststoff-Gleß- oder Preßmassen haben sich für den Aufbau und zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen als sehr vorteilhaft erwiesen. M
Halbleiter-Anordnungen mit vollständig in Isolierstoff eingebetteten Halbleiterkörpern zeigen jedoch in vielen Fällen ein durch die Eigenschaften des Isolierstoffs bedingtes, ungünstiges, thermisches Betriebsverhalten und sind häufig nur begrenzt überlastungsfähig.
Es sind Ausführungsformen bekannt, bei denen diese Nachteile durch flächenhafte Verbindung des Kunststoffgehäuses mit einem metallischen Kühlbauteil, durch Überbemessung sämtlicher Einzelteile der Anordnung zwecks Erhöhung der Wärmekapazität, durch Beimengung von die Wärmeleitung erhöhenden Zusätzen zum Isolier- ^ stoffmaterial oder durch Einbettung von Kühlfahnen in die Kunststof f umhüllung, und zwar in möglichst gerlgem Abstand zur Oberfläche, vermindert werden. Vielfach führen jedoch auch solche zusätzlichen Maßnahmen nicht zu dem gewünschten Ergebnis und erfordern überdies insbesondere bei Halbleiter-Bauelementen für geringe Strombelastbarkeit einen oft unerwünschten, technischen und wirtschaftlichen Aufwand, welcher die beim Aufbau und bei der Fertigung solcher Halbleiter-Bauelemente gegebenen Vorzüge weitgehend ausgleicht«
Halbleiter-Anordnungen, die einen gleichzeitig als Gehäuseunterteil dienenden Trägerkörper für die Halbleitertablette und ein
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. Blatt 2
Kunststoff-Gehäuseoberteil aufweisen, sind im Hinblick auf die Ausbildung des Trägerkörpers und auf seine Verbindung mit TIaIbleitertabletten mittlerer oder hoher Strombelastbarkeit vielfach sehr aufwendig. Bei Betriebsbeginn solcher Anordnungen können infolge unterschiedlicher Wärmedehnung der Gehäuseteile und schnellerer Erwärmung des Trägerkörpers mechanische Spannungen im Kunststoff-Gehäuseoberteil auftreten. Schließlich sind solche Halbleiter-Anordnungen in Anwendungsfällen, bei denen der HaIbleiter-Trägerkörper kein elektrisches Potential führen darf, nicht verwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiter-Anordmmgen mit einem Isolierstoffgehäuse zu schaffen, bei denen die den bekannten Ausführungsformen anhaftenden Nachteile nicht gegeben sind, jedoch die mit der Verwendung von Bauteilen aus Isolierstoff verbundenen Vorteile gewahrt bleiben.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Anordnung, bei der eine oder mehrere Halbleitertabletten in gewünschter elektrischer Anordnung auf einem gleichzeitig als Gehäuseunterteil dienenden Keramikträgerkörper befestigt und zusammen mit Teilen von Stromleitungsanschlüssen in einem das Gehäuseoberteil bildenden Kunststoff fest eingeschlossen sind.
Die deutsche Patentschrift 1 021 U9I beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Anordnung, bei der die Stromleiterteile eines zwischen Platten aus Keramik angeordneten Halbleiterkörpers durch diese Platten vakuumdicht geführt werden, und bei der ein solcher Aufbau allseitig mit einer Isoliermasae, vorzugsweise mit einem Wachs umhüllt ist. Die Anordnung soll jedoch die Aufgabe lösen, das Eindringen von Feuchtigkeit entlang den Stromleiterteilen zum Halbleiterkörper zu vermeiden. Eine Vorbesserung der Ableitung der Verlustleistungswärme ist mit dem vorgeschlagenen Aufbau nicht zu erzielen.
Weiter wurde vorgeschlagen, die Stroraleiterteile von Halbleiterkörpern, die eine Gleichrichterschaltung bilden und in einem
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Keramikbecher angeordnet sind, durch metallisierte Bohrungen in einer Seite des Bechers nach außen zu führen und den Becher mit einem Harz auszugießen. Auch diesem Lösungsvorschlag lag dieselbe Aufgabe zugrunde, den schädlichen Einfluß von entlang den Stromleiterteilen eindringender Feuchtigkeit auf den Halbleiterkörper zu vermeiden. Die der Erfindung gestellte Aufgabe wird mit den vorgeschlagenen Anordnungen nicht gelöst.
Die Erfindung besteht darin, daß der Trägerkörper plattenförmig ausgebildet ist, aus einer im Betriebstemperaturbereich der Halbleiter-Anordnung thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Oxidkeramik besteht und an vorbestimmten Randzonen konzentrisch verlaufende Ausbildungen oder Aussparungen aufweist, ™ daß der Trägerkörper auf einer Fläche metallisiert ist und auf der entgegengesetzten Fläche zu seiner thermischen Kontaktierung plan ausgebildet und geeignet oberflächenbehandelt ist, und daß das Kunststoff-Gehäuseoberteil die Ausbildungen des Trägerkörpers umschließt oder in die Aussparungen des Trägerkörpers eingreift und mit diesem mechanisch fest verbunden ist.
Anhand der in den Figuren 1 bis h dargestellten Ausführungsbeispiele sind Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In Figur 1 ist im Querschnitt, und zwar in einem Schnitt entlang der Linie AB nach Figur 2, eine Halbleiter-Anordnung dargestellt, in Figur 2 in Draufsicht ä eine ungekapselte" Gleichrichter-Brückenschaltung mit einem Aufbau gemäß Figur 1, in Figur 3» ebenfalls in Draufsicht, eine Drehstrom-Brückenschaltung und in Figur M ein Halbleiter-Gleichrichterelement für hohe Strombelastbarkeit. Für gleiche Teile sind in allen Figuren jeweils gleiche Bezeichnungen gewählt. In Figur 1 bezeichnet 1 einen plattenförmigen Isolierstoff-Trägerkörper aus elektrisch isolierender, thermisch gut leitender Oxidkeramik, lieispielsweise aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid. Die xintere Fläche des Trägerkörpers 1 ist zur Erzielung nines guten thermischen Kontaktes mit angrenzenden Kühlbauteilen plan ausgebildet und geeignet behandelt. Die dieser entgegengesetzte obere Fläche ist zur Aufnahme von Halbleitertabletten 3 metal Ii-
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik tnbTT. P.lntt
si ort und ,je nach Anordnung und Anzahl der Ilalbloitortabletton out sprechend unterteilt. An wenigstens zwei, vorzugsweise einander gegenüberliegenden Stirnseiten besitzt der Trägerkörper I oine stegförmige Ausbildung 1a, die zur ineinandergreifenden f es ton Verbindung mit einem Isolierstof f-ITüllkörper 5 dient.
Auf der oder den Metallisierungen 2 ist ,je nach Schaltung und/oder gewünschter Strombelastbarkeit eine Anzahl Ilalbleitertablotten fest aufgebracht, vorzugsweise gelötet, und mittels eines oder mehrerer Stromleitungsbauteile h zu einer entsprechenden elektrischen Anordnung kontaktiert. Diese Anordnung ist mit einer Kunststoff umhüllung 5 umgeben, welche den Trägerkörper 1 bis unterhalb <]er Ausbildungen 1a umschließt und dadurch eine feste Verbindung der beiden Gehäuseteile 1 und 5 gewährleistet. Zu diesem Zweck weist der Trägerkörper an den für die Verbindung mit dem Kunststoff vorgesehenen Flächenabschnitten eine geeignete Oberflächenrauhigkeit auf.
Der Trägerkörper 1 kann vieleckig oder rund ausgebildet sein und anstelle der stegförrnigen Ausbildungen 1a auch gleichermaßen verlaufende stegförmige Aussparungen aufweisen. Weiterhin können die Ausbildungen 1a auch mit derjenigen Kante abschließend verlaufen, welche der metallisierten Fläche zugeordnet ist.
Zur Erzielung von Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen in gewünschter Schaltung und mit gedrängtem Aufbau sind die Tlalbleitertabletten in unterschiedlicher elektrischer Polling angeordnet. Zur weitgehend flächenhaften Befestigung auf der jeweils zugeordneten Kontaktelektrode einer oder mehrerer Ilalbleitertabletten 3 sind die Stromleitungsteile h geeignet, beispielsweise bogenförmig und bedarfsweise abgeflacht ausgebildet. Die erfindungsgemäße Anordnung 1st zur optimalen Ableitung der Verlustleistungswärme über die plane untere Fläche des Trägerkörpers 1 auf einem angepaßt geformten Kühlblech 6 befestigt.
Figur 2 zeigt in Draufsicht die in Figur 1 dargestellte Anordnung, jedoch ohne Kungtstoffumhüllung 5, Als Ausführungsboispiol ist
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eine Gleichrichter-Brückenschaltung gewählt. Dazu sind je zwei Halbleitertabletten 3 a^f jeder der beiden durch einen entsprechenden Isolatiofisspal'c 7 getrennten streifenförmigen Metallisierungen 2 in entsprechendes* elektrischer Polung angeordnet. Die die Wechselstromanscblüase bildenden Stromleitungsteile h sind in ihren freiliegenden Abschnitten innerhalb der Anordnung sur Wahrung ein@s ausreichenden Xsolationsafostandes gegenüber Teilen mit anderem ©lektriscben Potsnti&X entsprechend geführt und verlaufen vorzugsweise parallel aus einer Stirnseite der Anordnung,, An gösigneter Stell© an dem dan Wechselstromanschlüssen abgewandten Ende der Metallisierungen. 2 ist je ein Stromleitungs- ύ teil 899 in Anordnung und Richtung vorzugsweise mit dem jeweils gegenüberliegenden Loiterteil h übereinstimmend^ fest am metallisierten Trägerkörper angebracht und bildet einen Gleic'tistromanschlußo Zu einer guten, flächsnhaften Verbindung dar Leiterteile 8 und 9 mit der»! metallisierten Trägerkörpar 1 dient beispielsweise jeweils ©ine entsprechend metallisiert© Bohrung zum Einsteckan oder eine Kerb© zum Einlegen das Leiterendes.
Der Trägerkörper 1 kann je nacb Bemessung und Verwendungszweck an einer oder einander g@geniibsrliegenden Stirnseiten jeweils einen plattenförmigen Ansats 10 mit einem Befeatigungsloch 11 aufweisen, wie dies durch Strlchelung in Figur 2 angedeutet ist.
Zur Vermeidung mechanischer Spannungen bei der Befestigung sind ™ in Anbetracht der geringen Biegespannungsfestigkeit des Keramiknsaterials gegebenenfalls besondere Maßnahmen vorzusehen,
Xn Figur 3 ist ein© Dreiphas©n«=BEiickensclialtung 12 nach Art des in Figur 2 dargestellten Aiifbauss einer Halbleiter-Anordnung gaseigt» Die Metallisierungen 2 bilden jeweils einen gemeinsamen Pol für- die Strosaleiterteilo 8 und 9.
D©r Aufbau von ©rfiachangsgemäßan Halbl©iter-A?iordnungen ist nichfc auf die aufguss θ igt ®xi Aijsfüh rungs bei spiel© beschränk!;, sondarn in. entsprechender Weise für sämtliche TIalbleiter°*Gleichricb te rs cha I tungen sotri© -isur Kombination mit unteraohiedlichen Halbleiter—Bauelementen "and für die Anordnung einer- odor mehrerer
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Gesellschaft f. Glaichrlehterbau u. Elektronik mbH. Blatt 6
Schaltungen auf einem Trägerkörper geeignet. Die Stromleiterteile für eine oder mehrere Schaltungen bzw. für ein oder mehrere Halbleiter-Bauelemente können nach Belieben geführt und angeordnet sein. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Aufbau auch für Halbleiter-Bauelemente hoher Strombelasfcbarkeit günstig. In Figur U ist ein Ausführungsbeispiel dafür dargestellt. Die stegförmige Ausbildung 1a gemäß der Darstellung in Figur 1 ist an der oberen Kante des Trägerkörpers 1 angeordnet. Auf der Metallisierung 2 der oberen Fläche des Trägerkörpers ist die in an sich bekannter Weise z.B» aus einer Halbleitertablefcte lhv einer Kontaktronde 15» beispielsweise aus Molybdän, sowie aus dem oberen Stromleitungsanschluß mit einem Kontaktstück 16 und einem Litzenleiter 17 bestehende Anordnung aufgebracht. Zur Kontaktierung der Halbleitertablette an ihrer mit dem Trägerkörper 1 verbundenen Fläche dient ein Stromleitungsteil 18, welches beispielsweise in dem zur Kontaktierung vorgesehenen Abschnitt ringförmig ausgebildet und, die Halbleitertablette vorzugsweise umschließend, auf der metallisierten Fläche fest aufgebracht ist. Dieser Aufbau ist in einer der Anordnung gemäß Figur 1 und ihrem Einsatz entsprechenden Weise in ein gieß·* oder preßfähiges Isoliermaterial 5 eingeschlossen. Die Befestigung eines solchen Halbleiter-Bauelements auf einem metallischen KUhlbauteil ist dieselbe, wie sie bei bekannten, sogenannten Flachbodentypen von Hochleistungs-Halbleiter-Gleichrichterelementen vorgesehen ist. Der in Figur h dargestellte Aufbau zeigt besonders dadurch Vorteile, daß der metallische, nach Herstellung und weiterer Behandlung teuere Grundkörper der bekannton Ausführungsformen und weiterhin die üblicherweise zwischen Grundkörper und Halbleitertablette notwendige Ronde aus Molybdän oder Wolfram sowie eine Anzahl der im Zusammenhang mit diesen Bauteilen erforderlichen Verfahrensachritte entfallen.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Anordnung werden auf der oder den metallisierten Flächen eines geeignet ausgebildeten Trägerkörpere eine oder mehrere Halbleitertabletten in einer durch die gewünschte Bauelementenschaltung vorgegebenen elektrischen Polung aufgebracht, vorzugsweise aufgelötet.
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Weiterhin werden nach bekannten Verfahren die Stromleiterteile h sowie 8 und 9 mittels Vorrichtungen sowohl mit der oder den metallisierten Flächen 2 als auch mit der oder den freien Kontaktelektroden der Halbleitertabletten fest verbunden. Im Anschluß daran wird die Anordnung in eine aushärtbare Gieß- oder Preßmasse eingebettet, welche bedarfsweise zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit geeignete Zusätze enthalten kann. Die Stromleiterteile werden zur Einhüllung in die Isolierstoffmasse entsprechend fixiert, um an der fertigen Halbleiter-Anordnung einwandfrei in einem gewünschten gegenseitigen Abstand geführte Leitungsanschlüsse zu gewährleisten.
Zur wirtschaftlichen Massenfertigung von Halbleiter-Anordnungen kann der Trägerkörper beispielsweise leistenförmig hergestellt sein und in jeweils gleichem Abstand senkrecht zur Längsachse an einer seiner Breitseiten streifenförmige Vertiefungen 13 aufweisen, wie sie in Figur 3 durch Strichelung angedeutet sind, so daß nach gleichzeitiger Durchführung der vorbeschriebenen Fertigungsschritte auf den metallisierten Flächen des Trägerkörpers und nach dem Durchtrennen desselben entlang den Aussparungen 13 eine entsprechende Anzahl fertiger Anordnungen vorliegt. Diese vorteilhafte rationelle Fertigung ist sowohl bei Halbleiter-Anordnungen kleiner Strombelastbarkeit mit mehreren Bauelementen als auch bei Halbleiter—Gleichrichter-Bauelementen mittlerer und hoher Strombelastbarkeit anwendbar. ™
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, daß durch Verwendung eines als Grundkörper und Gehäuseunterteil dienenden Trägerkörpers einfachster Ausbildung aus Metalloxid die Ableitung der Verlustleistungswärme in einer Intensität gegeben ist, wie sie angenähert auch bei Verwendung von metallischen Trägerkörpern besteht, und daß durch unmittelbare Befestigung einer gewünschten Anzahl von Halbleitertabletten und durch deren Umhüllung zusammen mit ihren Stromleiterteilen mit einem aushärtbaren Kunststoff ein überraschend einfacher, wirtschaftlicher und mechanisch stabiler Aufbau von Halbleiter-Anordnungen der unterschiedlichsten Ausführungsformen gegeben ist.
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Claims (1)

  1. SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH.
    8500 Nürnberg, Wiesentalstraße ^iO Telefon 0911/3301^1, 331813 - Telex 06/22155
    Datum: 17. Dezember I968 Unser Zeichen: I I368O6
    Patent - Ansprüche
    1. Halbleiter-Anordnung, bei der eine oder mehrere Halbleitertabletten in gewünschter elektrischer Anordnung auf einem gleichzeitig als Gehäuseunterteil dienenden Keramikträgerkörper befestigt und zusammen mit Teilen von Stromleitungsanschlüssen in einem das Gehäuseoberteil bildenden Kunststoff fest eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper plattenförmig ausgebildet ist, aus einer im Betriebstemperaturbereich der Halbleiter-Anordnung thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Oxidkeramik besteht und an vorbestimmten Randzonen konzentrisch verlaufende Ausbildungen oder Aussparungen aufweist, daß der Trägerkörper auf einer Fläche metallisiert ist und auf der entgegengesetzten Fläche zu seiner thermischen Kontaktierung plan ausgebildet und geeignet oberflächenbehandelt ist, und daß das Kunststoff-Gehäuseoberteil die Ausbildungen des Trägerkörpers umschließt oder in die Aussparungen des Trägerkörpers eingreift und mit diesem mechanisch fest verbunden ist.
    2. Halbleiter—Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper vieleckig oder rund ausgebildet ist und aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid besteht.
    3. Halbleiter-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen und/oder vertieften Ausbildungen der Mantelfläche des Trägerkörpers vieleckigen oder runden Querschnitt aufweisen.
    h. Halbleiter-Anordnung nach Anspruch 1 bis 3t dadurch gekcmnzeichnet, daß die erhabenen und/oder vertieften Ausbildungen
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    SEMIKRON §
    Gesellschaft■ f , Gleichrichterbaia Up_ Elektronik mbH« Blatt 2
    auf einander gegenüberliegenden Abselmitten der Mantelfläche des Trägerkörpers angsordnet sisid0
    5o Halbleiteranordnung nach Anspnicb 40 dadmtrefe gekennzeichnet, daß die erhabenen und/oder vertieften A'asbildraigen in sieb geschlossen sind0
    6. Halbleiteranordnung nach Asasp:raen 1 bia 5s dadurcb gekenn«- zeichnetf daß siir Bildtrag einer vos*b©istii!!Eiät©2i G-Io i cli ri elite rs cbaltung zwei oder msibr Halbleite^^CJ-lelcfericlitai'eleEiante entsprechender Strombelastbarksit in sisurvcsllcs.- ©I@ktris3o|3ex· Polusig "and g&<~ genseitlges? elektrischer VerbindiaWg atif° dsis 'Zeramiktrslgei^korp.ejr angeordnet sind5 una daß einander angeordneta Stromleitungsan-Schlüsse bedarfsweise einen sum Eifasats In Leiterplatten geeigneten Leiterabstand aufweisen,,
    7o Halbleit©T-=Anordnung nacli Anspruch 1 bis 5 s dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägerkifrper eine Halbleitertablette hoher Strombelastbarkeit angeordnet ist und daß auf der Metallisierung des Trägerkörpers ein Stromleiter? suv Kontaktierung der ©inen Seite der Halbleitertablette und auf der freien Kontaktelektrode der Halbleitertablett© ein weiter©^ Stromleiter befestigt und dieser Aufbau in entsprechender Waise in eine Isoliermasse eingeschlossen ist. .
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