DE1976270U

DE1976270U - Halbleiteranordnung.

Info

Publication number: DE1976270U
Application number: DES51704U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-02-20
Filing date: 1965-02-20
Publication date: 1968-01-04

Description

SIEMENS AKfIENGESELISCHAJ¹O! Aktz.: S 51 704/21g Gbm

Unser Zeichens PIA 65/1085 Hl/Ca

Halbleiteranordnung

Der große Aufwand, den das Parallelschalten von Stromtoren und auch Gleichrichtern erfordert, hat den Wunsch nach Halbleiteranordnungen mit höheren Nennstromstärken, also größeren Elektrodenflachen, zur Folge. Bei^der Entwicklung von solchen Halb-

leiteranordnungen bereitet die Abfuhr der Terlustwärme Schwierigkeiten, während sieh die elektrischen Qualitäten nicht wesentlich verschlechtern und auch der äußere Aufbau technologisch keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bereitet. Die Verlustwärme muß über einen Wärmewiderstand abgeführt werden, der sieh zusammensetzt aus dem Wärmewiderstand der Kühlvorrichtung, bestehend aus Wärmeableitkörper und Kühlmittel, und dem des Halbleiterelementes, das aus dem Halbleiterkörper mit den Elektroden und den gegebenenfalls vorhandenen Ansehlußkörpern besteht. Das zur Wärmeabfuhr erforderliche Temperaturgefälle ist begrenzt und durch die hochstzulässige Temperatur des Halbleitermaterials und die Temperatur des Kühlmittels gegeben. Um den Durchlaßstrom proportional zur Elektrodenfläche steigern zu können, müßte die Summe der Wärmewiderstände umgekehrt proportional der Flächengröße abnehmen. Der Wärmewiderstand des Wärmeableitkörpers könnte zwar durch Vergrößern der Kühlfläche oder durch forcierte Kühlung fast beliebig verkleinert werden. Aus Gründen der Überlastbarkeit der Halbleiteranordnung ist es

reohHlchan Jnrsressas gebOtasntol angesehen wöiiian. Auf Anirag'w^^htervon oiLh '^ ψ '_;", .'^ e zu den übHohe« Preisen geliefert. Deutsch« Patentamt,

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aber ferner günstig, ein Verhältnis der beiden Wärmewiderstände von 1 : 1 einzuhalten. Man erreicht also ein Optimum, wenn es dureh konstruktive Maßnahmen gelingt, beide Wärmewiderstände in gleichem Maße zu erniedrigen.

Es sind Halbleiteranordnungen, beispielsweise Siliziumgleichrichter und Siliziumstromtore bekannt, bei denen ein scheibenförmiges Halbleiterelement in ein flaches, symmetrisch gebautes Gehäuse eingeschlossen ist. An jeder Stirnseite des Gehäuses ist ein Wärmeableitkörper angebracht, der aus einem den elektrischen Strom und Wärme gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer, besteht. In dieser Anordnung wird die Verlustwärme gleichmäßig nach beiden Seiten abgeführt und damit der Wärmewiderstand des Halbleiterelementes halbiert (vgl. Siemens-Zeitschrift 1963» Heft 4, Seite 299).

Ferner sind pn-flächengleiehriehter oder -Flächentransistoren für Starkstrom mit einer Flüssigkeitskühlung bekannt, deren wirksame pn-Fläche des Einkristalls so klein ist, daß bei Dauerbetrieb mit dem zugelassenen Höchststrom bei einer gegebenen Spannung die Sperrverluste größenordnungsmäßig kleiner sind als die Flußverluste. Hierbei ist mindestens einer der Metallkontakte auf ein Mehrfaches seiner mit dem Einkristall gemeinsamen Kontaktfläche verkleinert und so gestaltet, daß seine flüssigkeitsgekühlte Fläche groß ist gegenüber der wirksamen pn-Fläehe bzw. den pn-Flächen (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 026 434).

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Der Neuerung liegt der Gedanke zugrunde, bei einer Halbleiteranordnung den Wärmewiderstand der Kühlvorrichtung durch flüssigkeitskühlung so zu erniedrigen, daß die Halbleiteranordnung an Überlastbarkeit nicht einbüßt. Nur dann erweist es sich als zweckmäßig, größere wirksame Elektrodenflächen zu verwenden.

Auf diese Weise können z.B. in einem Halbleiterelement mit einer

wirksamen Elektrodenfläche von 6 cm zulässige Stromdichten erreicht werden, die in bisher gebräuchlichen Anordnungen nur bis

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zu einer Plächengröße von 1,5 cm zulässig waren.

Die Neuerung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, vorzugsweise aus Silizium, an dessen flachseiten je ein flüssigkeitsgekühiter Wärmeableitkörper angeordnet ist. Die Neuerung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei

2 einer wirksamen Elektrodenfläche größer als 4 cm der mit Anschlußkörpern versehene Halbleiterkörper in einem an sich bekannten Gehäuse mit den Halbleiterkörper überdeckenden Stirnwänden derart angeordnet ist, daß die Stirnwände des Gehäuses unmittelbar einerseits mit den Anschlußkörpern und andererseits mit den Wärmeableitkörpern in Berührung stehen und daß die Auflagefläche der Wärmeableitkörper etwa gleich der Scheibenfiäche des Halbleiterkörpers ist.

Anhand der Zeichnung sei die Neuerung an Ausführungsbeispielen erläutert.

Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiteranordnung gemäß der Neuerung.

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Der scheibenförmige Halbleiterkörper 2 von z.B. 3>3 cm Durchmesser liegt zwischen den zwei Anschlußkörpern 3 aus einem Metall, z.B. Molybdän, das etwa denselben Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial besitzt. Die Folien 4 aus duktilem gut leitendem Metall sind an den Stirnseiten des Keramikringes 5 angelötet und bilden die Stirnwände des Gehäuses für das Halbleiterelement. Die Stirnwände können auch aus einem plattenartigen Mittelteil und einem Randteil bestehen, der den Mittelteil mit dem Keramikring federnd verbindet. An den Stirnseiten sind Wärmeableitkörper 6 aus einem gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer, angebracht, die über die Stutzen 7 und,, mit der Zeichenebene als Spiegelebene, zu diesen spiegelbildlich angeordneten Stutzen an ein geschlossenes Kühlsystem angeschlossen sind. Um eine günstige Kühlmittelströmung in dem Kühlkörper zu erreichen, können die Stutzenöffnungen durch eine Wand getrennt werden, die von dem Mantel bis zur Achse des zylindrischen Hohlraumes reicht. Die Stutzen können auch diametral angeordnet sein. Das Kühlmittel, beispielsweise Öl oder destilliertes Wasser, kann von einer Pumpe angetrieben und mit Öl, Wasser oder luft rückgekühlt werden. Ein in axialer Richtung auf das Halbleiterelement wirkender Druck, der in einem Spannrahmen - in der Figur nicht dargestellt - erzeugt werden kann, ergibt gute elektrische und thermische Kontakte.

Wie in der Pig. 2 veranschaulicht ist, können Halbleiteranordnungen nach der feuerung zu einem Stapelsystem zusammengebaut werden. Dagegen ist das Stapeln von luftgekühlten Haibleiteranordnungen gleicher Hennströme wegen der zu großen Kühlkörper

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nicht möglich, lach !ig. 2 sind sechs in ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiterelemente 32 bis 37 und Wärmeableitkörper 8 bis 14 nach dem Schema der Pig. 2a zu einer dreiphasigen Gleichriohterbrüekensehaltung zusammengebaut. Die im I_nneren 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 lebenschluß zu den Halbleiterelementen, der bei großer Potentialdifferenz zwischen den Kühlkörpern durch das Kühlmittel und dessen Leitungen verursacht wird, zu vermeiden, muß gegebenenfalls anstatt eines gemeinsamen Kühlsystems mit geschlossenem Umlauf für jeden Kühlkörper ein eigenes geschlossenes Kühlsystem vorgesehen werden. Die Anschlußfahnen für die elektrischen Zuleitungen können an die Kühlkörper 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 Druokerzeugungsmittel, beispielsweise ein Spannrahmen mit den Druckplatten 16, 17 und 18 und Kraftspeiehern, z.B. Federplatten 19 nnd 20 vorgesehen. Zwischen den Druckplatten 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.

3 Figuren

7 Sehutzansprüche

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Claims

Schutzansprüche

1. Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, vorzugsweise aus Silizium, an dessen Flaehseiten je ein flüssigkeitsgekühlter Wärmeableitkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer wirksamen Elektrodenfläche größer als 4 cm der mit Anschlußkörpern (3) versehene Halbleiterkörper (2) in einem an sich bekannten Gehäuse (4, 5) mit den Halbleiterkörper (2) überdeckenden Stirnwänden (4) derart angeordnet ist, daß die Stirnwände (4) des Gehäuses (4, 5) unmittelbar einerseits mit den Anschlußkörpern (3) und andererseits mit den Wärmeableitkörpern (6) in Berührung stehen und daß 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 flüssigkeitsgekühlten Wärmeableitkörper (6) eine Verbindung durch Druckkontakt besteht.

4· Halbleiteranordnung 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 flüssigkeits-

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gekühlten Wärmeableitkörpern (6) durch lotfreie Druekkontakte verbunden sind und sämtliche Druckkontaktverbindungen unter dem Druck eines, gemeinsamen Druckerzeugungsmittels stehen.

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

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Gehäuse eingeschlossene Halbleiterelemente (32 - 37) und Wärmeableitkörper (8 - 14) in abwechselnder Reihenfolge zu einem Stapel aufgereiht und die im Inneren des Stapels befindlichen Wärmeableitkörper (9 - 13) mit doppelt so großer Kühlleistung wie die Wärmeableitkörper (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 Druckerzeugungsmittel vorgesehen ist.

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