DE2013684A1 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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DE2013684A1
DE2013684A1 DE19702013684 DE2013684A DE2013684A1 DE 2013684 A1 DE2013684 A1 DE 2013684A1 DE 19702013684 DE19702013684 DE 19702013684 DE 2013684 A DE2013684 A DE 2013684A DE 2013684 A1 DE2013684 A1 DE 2013684A1
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plate
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Application number
DE19702013684
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German (de)
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Ingvar Olsson Karl Erik Spicar Erich Dr rer nat Ludvika Boksjo (Schweden) M
Original Assignee
Allmanna Svenska Elektnska AB, Vasteras (Schweden)
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Description

HalbleiteranordnungSemiconductor device

Halbleiteranordnungen enthalten normalerweise ein Halbleitersystem, das aus einer Halbleiterscheibe,- z.B. aus Silizium oder Germanium, und meistens aus zumindestens einer Stützplatte, z.B. aus Molybdän, für die Halbleiterscheibe besteht. Das Hälbleitersystem ist zwischen zwei Anschlußkörpern für den elektrischen Strom angeordnet, von denen zumindestens einer ein wärmeableitender Körper aus Kupfer sein kann. Der wärmeableitende Körper steht wiederum in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühlanordnung. Die Anschlußkörper können am Halbleitersystem angelötet sein oder nur unter Druck an diesem anliegen. In diesem Pail gibt es also keine Lötschicht zwischen den Anschlußkörpern und dem Halbleitersystem. Semiconductor arrangements usually contain a semiconductor system, that from a semiconductor wafer - e.g. from silicon or germanium, and usually consists of at least one support plate, e.g. made of molybdenum, for the semiconductor wafer. The semiconductor system is arranged between two connection bodies for the electrical current, of which at least one a heat dissipating body can be made of copper. The heat dissipating The body is in turn in thermally conductive contact with a cooling arrangement. The connection body can be on the semiconductor system be soldered on or only rest against it under pressure. In this pail there is therefore no solder layer between the connection bodies and the semiconductor system.

Der wärmeableitende Körper kann die Form einer Platte haben, die auf einer Seite das Halbleiter sys tem trägt und deren andere Seite in Kontakt mit einer Kühlanordnung steht» Dabei kann der wäraeableitende Körper auf der dem Halbleitersystea abgewandten Seite Mehrere Stifte haben, wobei den Zwischenräumen zwischen den Stiften «wecke Kühlung ein strömendes Kühlmittel The heat dissipating body may have the form of a plate which carries on one side of the semiconductor sys tem and the other side in contact with a cooling arrangement is "In this case, the wäraeableitende body on the side remote from the Halbleitersystea side Several pins, the gaps between the Pins «awaken cooling a flowing coolant

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zugeführt wird. Auf diese Weise erhält man eine große Kontaktfläche zwischen dem wärmeableitenden Körper und dem jeweiligen Kühlmittel. Bas ist von großer Bedeutung, da die Ausnutzung und das Leistungsvermögen der Halbleiteranordnung davon abhängig ist, wie wirksam die Verlustleistung in der Halbleiterscheibe abgeleitet werden kann.is fed. In this way, a large contact area is obtained between the heat-dissipating body and the respective one Coolant. Bas is of great importance, since the utilization and the performance of the semiconductor arrangement depend on how effectively the power loss in the semiconductor wafer can be dissipated.

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem wärmeableitenden Körper mit herausragenden Stiften, in der diese außer zur Kühlung dazu ausgenutzt werden, einen mechanischen Druck in Richtung auf das Halble lter sys tem auszuüben, das zwischen Assehluekörpern geclrficVt gehalten wird. Die Stifte können auch für die Zu- und Ableitung von elektrischem Strom zu und von dem Halbleitersystem ausgenutzt werden. Dadurch, dad man die Stifte auch für andere Punktionen als allein zur Kühlung ausnutzt, kann man der Halbleiteranordnung eine sehr kompakte Ponn geben. Das ist von besonderer Bedeutung bei Anlagen, bei denen sehr viele Halbleiteranordnungen aufeinandergestapelt und miteinander in Reihe oder parallel geschaltet sind. Außerdem erreicht man einen sehr einfachen, sicheren und wirksamen Kühlmittel transport ohne Schläuche oder andere Verbindungselemente zwischen den einzelnen Halbleiteranordnungen einer Anlage.The invention relates to a semiconductor device with a heat-dissipating body with protruding pins in which this apart from cooling, they can also be used to exert mechanical pressure in the direction of the semiconductor system, which is held locked between equipment bodies. The pens can can also be used for the supply and discharge of electrical current to and from the semiconductor system. Because of that, dad man If the pins are also used for other punctures than solely for cooling, the semiconductor arrangement can be a very compact one Give ponn. This is of particular importance in systems in which a large number of semiconductor arrangements are stacked on top of one another and are connected in series or in parallel with each other. In addition, one achieves a very simple, safe and effective one Coolant transport without hoses or other connecting elements between the individual semiconductor arrangements System.

Die Erfindung geht von einer Halbleiteranordnung aus, z.B.The invention starts from a semiconductor device, e.g.

von einer Kristalldiode, einem Thyristor oder einem Iraneistor,from a crystal diode, a thyristor or an iranistor, bei der ein Halbleitersyetem mit einer Halbleiterscheibe swi-in which a semiconductor system with a semiconductor wafer swi-

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sehen zwei Anschlußkörpern für den elektrischen Strom angeordnet ist und von diesem gedrückt gehalten wird, wobei zumindestens der eine der Anschlußkörper ein wärmeableitender Körper aus Kupfer ist, einen plattenähnlichen und an einer Seite am Halbleitersystem anliegenden Teil und auf der anderen Seite mehrere aus diesem herausragende Stifte mit Zwischenräumen für die Zuführung eines strömenden Kühlmittels zu den Stiften hat. Eine solche Anordnung ist erfindungegemäß dadurch gekennzeichnet, daß. zur Ausübung eines Druckes auf das Halbleitersyβtem eine Druckplatte dient, die an den Stirnflächen der Stifte anliegt und ihren Druck über diese Stifte auf den plattenähnlichen Teil des wärmeableitenden Körpers und damit auf das Halbleitersystem überträgt, und daß der plattenähnliche Teil des wärmea'cl'*Itenden Körpers einen Teil eins hermetisch dichten Gehäuses für das Halbleitersystem bildet.see two connection bodies for the electrical current is arranged and is held pressed by this, at least one of the connection bodies is a heat dissipating Body is made of copper, one plate-like and one on one Side on the part adjacent to the semiconductor system and on the other side with several pins protruding from this Has spaces for the supply of a flowing coolant to the pins. Such an arrangement is according to the invention characterized in that. to exert pressure on the semiconductor system, a pressure plate is used, which rests on the end faces of the pins and its pressure is applied via these pins on the plate-like part of the heat-dissipating body and thus on the semiconductor system, and that the plate-like part of the wärmea'cl '* itenden body part a hermetically sealed housing for the semiconductor system forms.

Kupfer soll bei 30 Kilopond Belastung eine Yickershärte von mehr als 60 (H_5q7 60) und vorzugsweise mehr als 70 (BLx0 > 70) haben, um den Druck von der Druckplatte auf das Halbleitersystem wirksam übertragen zu können. Mit Kupfer sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung nicht nur reines Kupfer, sondern auch Kupferlegierungen gemeint, die zum überwiegenden : feil aus Kupfer bestehen und ein gutes elektrisches und thermisches Leitungsvermögen aufweisen, z.B. Zirkoniumkupfer (Zr 0,10 -0,30 Ji, Rest Ott), Chrom-Kupfer (Cr 0,2 - T.%, Rest Cu), Chrom-With a load of 30 kilopond, copper should have a Yickers hardness of more than 60 (H_ 5 q7 60) and preferably more than 70 (BLx 0 > 70) in order to be able to effectively transfer the pressure from the pressure plate to the semiconductor system. In the claims and the description, copper is not only meant to be pure copper, but also to copper alloys, which are predominantly made of copper and have good electrical and thermal conductivity, e.g. zirconium copper (Zr 0.10-0.30 Ji, Remainder Ott), chromium-copper (Cr 0.2 - T. %, Remainder Cu), chromium-

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Zirkonium-Kupfer (Zr 0,2 %, Cr 0,5 *, Rest Cu) und Silberkupfer (Ag Ο,Οοθ %, Rest Cu).Zirconium copper (Zr 0.2 %, Cr 0.5 *, remainder Cu) and silver copper (Ag Ο, Οοθ%, remainder Cu).

Außer der Halbleiterscheibe aus z.B. Silizium oder Germanium kann das Halbleitersystem zumindestens eine auf der einen Seite der Halbleiterscheibe angeordnete Stützplatte aus Molybdän, Wolfram oder einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe haben. Das Halbleitersystem kann jedoch außer der Halbleiterscheibe auch nur aus auf einer oder beiden Seiten der Halbleiterscheibe angeordneten dünnen Metallschichten bestehen, die durch Aufdampfung oder Kathodenzerstäubung oder elektrolytische Belegung angebracht sind. Die Metallschichten können sich auch in Verbindung mit der Dotierung der HaIbleiterscMfce oder bei einem separaten Prozeß danach bilden. Als Beispiele für Metalle in diesen Schichten kann Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Hlckel, Blei und Legierungen mit je einemIn addition to the semiconductor wafer made of e.g. silicon or germanium, the semiconductor system can at least one on the one Side of the semiconductor wafer arranged support plate made of molybdenum, tungsten or another material with approximately have the same coefficient of thermal expansion as the semiconductor wafer. However, the semiconductor system can except the Semiconductor wafer also consist only of thin metal layers arranged on one or both sides of the semiconductor wafer, which are formed by vapor deposition or cathode sputtering or electrolytic assignment are appropriate. The metal layers can also form in connection with the doping of the semiconductors or in a separate process afterwards. Examples of metals in these layers can be gold, silver, copper, aluminum, Hlckel, lead and alloys with one each

dieser Metalle genannt werden. Das Halbleitersystem kann auch nur aus der Halbleiterscheibe bestehen, wobei es zweckmäßig ist, eine Halbleiterscheibe mit hochdotierter Außenschicht zu verwenden. Vermeidet man die Anwendung einer Stützplatte zumindestens auf der dem w&rmeableitenden Körper zugewandten Seite, erhalt man eine wirksamere Wärmeableitung rom Halbleitersystem.these metals are called. The semiconductor system can also consist only of the semiconductor wafer, it being expedient to use a semiconductor wafer with a highly doped outer layer to use. Avoid using a support plate at least on the one facing the heat-dissipating body Side, you get more effective heat dissipation from the semiconductor system.

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Dadurch, daß der wärmeableitende Körper ein Teil des Gehäuses des Halbleitersystems ist, vermeidet man die Wärmeübertragung erschwerende Fugen zwischen dem Halbleitersystem und dem Kühlmittel.In that the heat dissipating body is part of the housing of the semiconductor system, the joints between the semiconductor system, which aggravate the heat transfer, are avoided and the coolant.

Die Stifte an der wärmeableitenden Platte sind vorzugsweise zylindrisch. Sie können auch z.B. parallel-epipedisch oder etwas konisch sein. Sie Längsrichtung der Stifte ist außerdem winkelrecht zu der Anlagefläche zwischen Halbleitersystem und dem wärmeableitenden Körper, und die Stifte selbst sind im wesentlichen mit gleichem Abstand voneinander angeordnet.The pins on the heat dissipating plate are preferred cylindrical. They can also be e.g. parallel-epipedic or somewhat conical. The longitudinal direction of the pins is also at right angles to the contact surface between the semiconductor system and the heat dissipating body, and the pins themselves are substantially equidistant from each other.

2 Ihre Anzahl ist vorzugsweise mindestens 5 je cm fläche winkelrecht zu der Längsrichtung der Stifte. Die Querschnittsfläche eines Stiftes auf halber Höhe des Stiftes und winkelrecht zu seiner Längsrichtung ist zweckmäßigerweise höchstens2 Their number is preferably at least 5 per cm of area at right angles to the longitudinal direction of the pins. The cross-sectional area of a pen halfway up the pen and at right angles to its longitudinal direction is expediently at most

2 22 2

10 mm , vorzugsweise 0,5 - 10 mm .10 mm, preferably 0.5-10 mm.

Der wärmeableitende Körper mit seinen Stiften ist vorzugsweise ein in einem einzigen Stück warmgepreßter (bei über 8000C) oder kaltgepreßter (bei Zimmertemperatur) Körper. Dadurch kann man auf sehr einfache Weise einen Körper herstellen, der die Härteforderung erfüllt und keine mechanisch schwachen !eile hat. Kaltpressen wird besonders bevorzugt, weil die Härte in den Stiften größer wird als beim Warmpressen, die Oberfläche besser ist und sich keine Oxydhaut bildet.The heat dissipating body with its pins is preferably a hot-pressed in a single piece (above 800 0 C) or cold-pressed (at room temperature) body. This makes it very easy to produce a body that meets the hardness requirement and has no weak mechanical haste. Cold pressing is particularly preferred because the hardness in the pins is greater than in hot pressing, the surface is better and no oxide skin forms.

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Die Halbleiteranordnung gemäB der Erfindung kann einseitig gekühlt sein. Dabei kann der eine Ansehlußkörper aus dem wärme able it enden Körper bestehen und der andere aus einem Stromabnehmer, der nicht mit einem strömenden Kühlmittel gekühlt wird. Der Stromabnehmer und die Druckplatte können somit τοη einer Preßanordnung in Richtung auf das Salbleitersystem unter Brück gehalten werden. Eine solche Halbleiteranordnung hat einen für eine einseitig gekühlte Halbleiteranordnung sehr kompakten Aufbau.The semiconductor arrangement according to the invention can be cooled on one side. The one connection body from the heat able it ends body and the other consist of a pantograph that is not cooled with a flowing coolant. The pantograph and the pressure plate can thus τοη a pressing arrangement in the direction of the semiconductor system are kept under bridge. Such a semiconductor arrangement has a very compact structure for a semiconductor arrangement cooled on one side.

Sind beide Anschlufikörper als wärmeableitende Körper der genannten Art ausgeführt, erhält man eine doppelseitig gekühlte Halbleiteranordnung mit sehr kompaktem Aufbau. Die an den äußeren Stirnflächen der Stifte der wärmeableitenden Körper angeordneten Druckplatten werden dabei mit einer Preßanordnung in Richtung auf das Halbleitersystem gepreßt.If both connecting bodies are designed as heat-dissipating bodies of the type mentioned, a double-sided cooled one is obtained Semiconductor arrangement with a very compact structure. Those on the outer end faces of the pins of the heat dissipating body arranged printing plates are pressed with a press arrangement in the direction of the semiconductor system.

Einen besonderen Torteil erreicht man, wenn die Druckplatte oder Druckplatten aus Kupfer, αί-ιμΗτη™ oder einem anderen Metall mit gutem elektrischen Leitungsvermögen hergestellt werden, da dann ein Anschlußleiter bzw. mehrere Anschlußleiter für elektrischen Strom zu der Halbleiteranordnung an der Druckplatte bzw. den Druckplatten befestigt werden können. In diesem Fall dienen die Stifte auch als Stromleiter.A special part of the gate is achieved if the pressure plate or pressure plates are made of copper, αί-ιμΗτη ™ or another Metal can be produced with good electrical conductivity, since then a connecting conductor or several connecting conductors for electrical current to the semiconductor device on the Pressure plate or the pressure plates can be attached. In this case, the pins also serve as conductors.

Die Erfindung ist im folgenden anhand τοη AuBführungsbeiepielen beschrieben. In der Zeichnung zeige; 'The invention is illustrated below on the basis of τοη execution examples described. In the drawing show; '

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Fig. 1 und 2 schematisch eine Anordnung für die Herstellung eines wärmeableitenden Körpers,Fig. 1 and 2 schematically an arrangement for the Manufacture of a heat-dissipating body,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt einer einseitig gekühlten Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung,5 shows a schematic cross section of a one-sided cooled semiconductor device according to the invention,

Fig. A einen schematischen Querschnitt einer doppelseitig gekUhlten Halbleiteranordnungfeemäß der Erfindung, A shows a schematic cross section of a double-sided cooled semiconductor arrangement according to the invention,

Fig. 5 eine Halbleiteranordnung nach -""ig. 4 in verkleinertem Haßstab und von oben gesehen undFig. 5 shows a semiconductor arrangement according to - "" ig. 4 in reduced size Hatred and seen from above and

Fig. 6 eine Anlage bestehend aus mehreren aufeinandergestapelten Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung.6 shows a system consisting of several stacked one on top of the other Semiconductor arrangements according to the invention.

In Fig. 1 und 2 ist gezeigt, wie ein gemäß der Erfindung verwendeter wärmeableitender Körper hergestellt werden kann. Dazu benutzt .man ein Werkzeug, das aus einer Matrize 10 und einem Stempel 11 besteht, und das, wenn der Stempel bis zu der vorgesehenen Tiefe in die Matrize eingeführt worden ist, einen Hohlraum 12 bildet, der dieselbe Form hat wie die äußere Form des wärmeableitenden Körpers, der hergestellt werden soll. In dem oberen Teil der Matrize wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist,1 and 2 it is shown how a heat-dissipating body used according to the invention can be produced. For this purpose, a tool is used which consists of a die 10 and a punch 11 and which, when the punch has been inserted into the die to the intended depth, forms a cavity 12 which has the same shape as the outer shape of the heat-dissipating body to be manufactured. In the upper part of the die, as shown in Fig. 1,

13 ein massives Stück Kupfer/gelegt, das z.B. von einer runden13th a solid piece of copper / laid, e.g. from a round

Stange abgeschnitten sein kann* Der Stempel wird in dieRod can be cut off * The stamp is inserted into the

.009.88 6/ 13*46 . - 8 -.009.88 6/13 * 46. - 8th -

Matrize eingeführt und übt dabei einen Druck von ungefähr 10 ton/ca auf dae Eupferstück aus. Das Werkzeug 1st In bekannter Welse In einer Fresse angeordnet.The die is inserted, applying a pressure of approximately 10 ton / ca on the Eupfer piece. The tool 1st In known catfish arranged in a face.

Das Eupferetück hat Zimmertemperatur und das Werkzeug erhält keine Erwärmungsanordnung. Beim Hineinpressen des Stempels füllt das Eupfer den Hohlraum 12 und die kleinen löcher 14 zur Bildung von Stiften am wärmeableitenden Eörper aus. Ber fertige wäraeableitende Eörper 15 ist mit seinen Stiften in Pig. 2 gezeigt. Der Radius des pmlattenähnlichen zylindrischen Teiles 17 des wärmeableitenden Körpers kann z.B. 70 mm sein, der Durchmesser der zylindrischen Stifte 2 mm, der Mittenabstand der Stifte 3 mn und die Anzahl der Stifte demzufolge über 400.The Eupferetück is at room temperature and the tool is not given a heating arrangement. When pressing in the punch The Eupfer fills the cavity 12 and the small holes 14 to form pins on the heat-dissipating body. The finished heat-dissipating body 15 is with its pins in Pig. 2 shown. The radius of the pmlat-like cylindrical part 17 of the heat-dissipating body can be, for example, 70 mm The diameter of the cylindrical pins 2 mm, the center-to-center distance of the pins 3 mn and the number of pins consequently over 400.

Pig. 3 zeigt eine komplette einseitig gekühlte Halbleiteranordnung in Form einer Diode, bei der der wärmeableitendePig. 3 shows a complete semiconductor arrangement cooled on one side in the form of a diode, in which the heat-dissipating

15 Körper/zugleich einen Anschlußkörper für den elektrischen15th Body / at the same time a connection body for the electrical Strom bildet. Die Halbleiteranordnung hat eine runde Silizium-.scheibe 20 aus p-n-n+, die auf der Unterseite mit einer nicht gezeigten Aluminiumschicht an einer Stützplatte 21 aus Molybdän oder aus einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium angelötet ist und auf.ihrer Oberseite einen legierten Gold-Antimon-Eontakt in form einer Schicht 22 trägt. Das aus den Elementen 20, 21 und 22 bestehende Halbleitersystem ist in einem Gehäuse hermetisch eingeschlossen, das aus dem wärmeableitenden Eörper 15 und aus einerElectricity forms. The semiconductor arrangement has a round silicon wafer 20 made of pnn + , which is soldered on the underside with an aluminum layer (not shown) to a support plate 21 made of molybdenum or of another material with approximately the same coefficient of thermal expansion as silicon and on its upper side an alloyed gold - Antimony Eontakt in the form of a layer 22 carries. The consisting of the elements 20, 21 and 22 semiconductor system is hermetically enclosed in a housing, which consists of the heat-dissipating body 15 and a

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aus den runden Teilen 24, 25 und 26 bestehenden Haube zusammengesetzt ist. Die Teile 24 und 26 können z.B. aus Kupfer oder einer Eisen-Nickel-Kobaltlegierung (Pernico) sein und der Teil 25 z.B. aus Keramik oder Porzellan. Die Teile 24, 25 und 26 können miteinander z.B. durch Hartlöten mit Silberlot Verbunden, sein und der Teil 24 mit dem Körper 15 durch Kaltpreßschweißen. An der Außenseite der Haube liegt in einer zylindrischen Einbuchtung 27 ein Stromabnehmer 28, der von Pederringen 29 gegen die Haube gepreßt wird. Die Pederringe 29 werden Über einen zylindrischen Körper 30 aus Isoliermaterial, z.B. Keramik, von einer als Gegenhalter dienenden Kapsel 31 in Form eines gewölbten Preßtellers, z.B. aus Stahl, gehalten. Wie aus Pig. 3 hervorgeht, ist die Kapsel 31 mit Bolzen 32 an einer steifen Druckplätte 33 aus Kupfer festmontiert. Der Druck der Anschlußkörper 15 und 29 gegen das Halbleitersystem kann mit Hilfe einer Spannschraube 34 geregelt werden, die einen Teil der Kapsel 31 bildet.is composed of the round parts 24, 25 and 26 existing hood. The parts 24 and 26 can for example be made of copper or an iron-nickel-cobalt alloy (Pernico) and the Part 25 e.g. made of ceramic or porcelain. The parts 24, 25 and 26 can be joined together, for example by brazing with silver solder Connected, his and the part 24 to the body 15 by cold pressure welding. On the outside of the hood lies in one cylindrical indentation 27 a current collector 28, which is pressed by peder rings 29 against the hood. The peder rings 29 are over a cylindrical body 30 made of insulating material, e.g. ceramic, from a capsule 31 serving as a counter holder held in the form of a curved press plate, e.g. made of steel. Like from Pig. 3 is the capsule 31 with bolts 32 fixedly mounted on a stiff printing plate 33 made of copper. The pressure of the connection bodies 15 and 29 against the semiconductor system can be regulated with the help of a tensioning screw 34, the one Forms part of the capsule 31.

Am Stromabnehmer 28 ist ein Anschlußleiter 35 angeschlossen. Dieser ist von der Kapsel, durch die er geführt ist, mit einer isolierenden Hülle 36, z.B. Glasfiberband, isoliert. Ein anderer Anschlußleiter 37 ist an der Druckplatte 33 festgelötet. Der Kontakt zwischen dem Halbleitersystem und den Anschlußkörpern kommt nur durch Druck zustande. Der Druck von der Druckplatte 33 in Richtung auf das Halbleitersystem wird dabei von den Stiften 16 übertragen, deren Stirnflächen an der Druckplatte 33 anliegen. Das Kühlmittel, z.B. Wasser, Ul oder Luft,A connection conductor 35 is connected to the current collector 28. This is from the capsule through which it is passed with a insulating sheath 36, e.g., fiberglass tape, insulated. Another connection conductor 37 is soldered to the pressure plate 33. The contact between the semiconductor system and the connection bodies is only made by pressure. The pressure from the pressure plate 33 in the direction of the semiconductor system is thereby of transferred to the pins 16, the end faces of which bear against the pressure plate 33. The coolant, e.g. water, Ul or air,

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wird über die öffnung 38 in der Druckplatte in die Mitte des wärmeableitenden Körpers eingeführt. Nachdem das Kühlmittel die Stifte in radialer Richtung passiert hat, verläßt es den wäraeableitenden Körper am Umfang 39. Bas Einführen von Kühlmittel in die Mitte bedeutet, daß kaltes Kühlmittel in direkten Kontakt mit dem wärmsten Bereich des wärmeableitenden Körpers gebracht werden kann.is placed through the opening 38 in the pressure plate in the center of the heat-dissipating body introduced. After the coolant has passed the pins in the radial direction, it leaves the heat dissipating body on the circumference 39. Bas introducing coolant into the center means that cold coolant is in direct Contact with the warmest area of the heat-dissipating body can be brought.

Die doppelseitig gekühlte Halbleiteranordnung nach Fig. 4 und 5 bildet einen Thyristor mit einer Halbleiterscheibe 20 aus Silizium (Typ pnpn). Im übrigen hat das Halbleitersystem ebenso wie die Anordnung gemäß ?ig. 3 eine Stützplatte 21 und einen legierten Kontakt 22. Das Halbleitersystem ist in einem Gehäuse hermetisch eingeschlossen, das aus den zwei wärmeableitenden Körpern 15a und 15b, federnden Ringen 40a und 40b, z.B. aus Kupfer oder fernico, und einer Isolierung 41 aus z.B. Porzellan oder Keramik besteht. Die Ringe 40a und 40b sind an den vertikalen und horizontalen Anlageflächen durch Hartlöten mit Silberlot am Keramikring 41 befestigt. Der wärmeableitende Körper hat einen Plansch 42a bzw. 42b, der über zwischenliegende Kupferringe 57a bzw. 57b mit den Ringen 40a und 40b durch IaItpreßschweißen verbunden ist. Das Halbleitersystem steht mit den Anschlufikörpera, d.h. den wärmeableitenden Körpern, nur durch Druck in "Verbindung. Der Druck wM von den Druckplatten 33a und 33b übertragen, die an den Stirnflächen der Stifte 16a und 16b anliegen, die wiederum durch Joche 43a und 43b gegeneinander gepreßt werden. Dieee haben Aussparungen 44a und 44b,The semiconductor arrangement according to FIGS. 4 and 5, cooled on both sides, forms a thyristor with a semiconductor wafer 20 Silicon (type pnpn). Incidentally, like the arrangement according to, the semiconductor system has. 3 a support plate 21 and an alloyed contact 22. The semiconductor system is hermetically enclosed in a housing consisting of the two heat-dissipating bodies 15a and 15b, resilient rings 40a and 40b, e.g. made of copper or fernico, and an insulation 41 made of e.g. Porcelain or ceramics. The rings 40a and 40b are on the vertical and horizontal contact surfaces by brazing attached to ceramic ring 41 with silver solder. The heat-dissipating body has a flange 42a or 42b, which through intermediate copper rings 57a and 57b with the rings 40a and 40b IaItpreßschweiß is connected. The semiconductor system is in place with the connection bodya, i.e. the heat-dissipating bodies, only through pressure in "connection. The pressure wM from the pressure plates 33a and 33b transferred, which bear against the end faces of the pins 16a and 16b, which in turn are pressed against one another by yokes 43a and 43b. They have recesses 44a and 44b,

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die für die Zuführung/bzw. für die Ableitung 46 eines Kühlmittels (Fig. 4) bestimmt sind.for the feed / or. for the discharge 46 of a coolant (Fig. 4) are intended.

Der Anpreßdruck wird durch Schraubenbolzen 47 und 48 erzeugt, die durch beide Joche gehen und mit einer Hülse aus Isoliermaterial zumindestens von der einen Druckplatte isoliert sind. Jeder Bolzen hat einen Federring oder dergleichen, um ein federndes Anziehen zu erreichen. Die beiden Druckplatten 33a und 33b bilden zusammen mit einem ringförmigen Teil 49» z.B. aus glasfiberarmiertem Polyesterkunststoff, einen Raum 50 für das durchströmende Kühlmittel. Das Kühlmittel, z.B. Wasser, öl oder Luft, wird über die Zuführung 45 in die Mitte des wärmeableitenden Körpers 15a geleitet, passiert die Stifte 16a in radialer Richtung, passiert außen die Hülse des Halbleitersystems, geht hinein bei den äußeren Stiften 16b des wärmeableitenden Körpers 15b, passiert die Stifte in radialer Richtung und geht hinaus durch den Auslauf 46 in der Mitte des wärmeableitenden Körpers 15b An jeder Druckplatte ist ein Anschlußleiter 37a bzw. 37b festgelötet.The contact pressure is generated by bolts 47 and 48, which go through both yokes and are isolated from at least one pressure plate with a sleeve made of insulating material. Each bolt has a spring washer or the like in order to achieve a resilient tightening. The two pressure plates 33a and 33b together with an annular part 49 », e.g. made of glass fiber reinforced polyester plastic, form a space 50 for the coolant flowing through. The coolant, e.g. water, oil or air, is passed via the feed 45 into the center of the heat-dissipating body 15a, passes the pins 16a in the radial direction, passes the sleeve of the semiconductor system on the outside, goes in at the outer pins 16b of the heat dissipating body 15b, passes the pins in the radial direction and goes out through the outlet 46 in the middle of the heat dissipating body 15b A connection conductor 37a or 37b is soldered to each pressure plate.

Die Zündelektrode 51 des Thyristors, die zentral an der Oberseite des Halbleitersystems angebracht ist, ist in einem Kupferrohr 52 angeordnet und wird durch den wärmeableitenden Körper 15b geführt. DaB Kupferrohr hat eine isolierende Hülse 53, z.B. aus Porzellan, die über einen Ring 54 und eine Haube 55, beide z.B. ans Kupfer oder Pernico, dichtend mit dem wärme» ableitenden Körper 15b bzw. dem Kupferrohr 52 verbunden ist. DieThe firing electrode 51 of the thyristor, which is attached centrally to the top of the semiconductor system, is in one Copper pipe 52 is arranged and passed through the heat dissipating body 15b. The copper pipe has an insulating sleeve 53, e.g. made of porcelain, which has a ring 54 and a hood 55, both e.g. on copper or Pernico, sealing with the heat » dissipative body 15b or the copper pipe 52 is connected. the

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Zündelektrode ist am isolierten Zuleiter 56 angeschlossen. 'The ignition electrode is connected to the insulated lead 56. '

Pig. 6 zeigt einen Stapel von mehreren erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen. Jede ist im wesentlichen von derselben Art wie die in Fig. 4 gezeigte mit folgenden Abänderungen.Pig. 6 shows a stack of several semiconductor arrangements according to the invention. Each is of essentially the same type as that shown in Figure 4 with the following modifications.

Die Druckplatten, die in Pig. 6 mit 33 ac bzw. 33 bc bezeichnet sind, sind dicker, um eine wirksame Anlage sowie eine wirksame Dichtung zwischen aneinandergrenzenden Platten zu erreichen. Die Dichtung besteht aus O-Ringen 58 aus Gummi, die in Nuten 59a bzw. 59b in den Platten liegen. Die Einlauföffnungen 45c und Auslauföffnungen 46c für das Kühlmittel in aneinandergrenzenden Halbleiteranordnungen liegen auf gleicher Höhe wie die Druckplatten. Die an den Zündleketroden 51 angeschlossenen isolierten Zuleiter 56c gehen durch Löcher 60 in den Stiften 16b der oberen wärmeableitenden Körper 15b sowie durch Löcher 61 in den ringförmigen Gehäusen 49. Ein Gummiring 62 ist als Dichtung zwiechen d?m Leiter 56c und dem Gehäuse 49 angeordnet.The printing plates used in Pig. 6 denoted by 33 ac and 33 bc are thicker to provide effective seating and sealing between adjacent panels. The seal consists of rubber O-rings 58 which are located in grooves 59a and 59b in the plates. The inlet openings 45c and outlet openings 46c for the coolant in adjacent semiconductor arrangements are at the same level as the Printing plates. The connected to the ignition electrodes 51 insulated leads 56c pass through holes 60 in pins 16b of upper heat sink 15b as well as holes 61 in the annular housings 49. A rubber ring 62 is arranged as a seal between the conductor 56c and the housing 49.

Der Stapel wird durch die Joche 43a und 43b wie in Pig. 5 gezeigt zusammengehalten.The stack is made by yokes 43a and 43b as in Pig. 5 shown held together.

Das Kühlmittel wird auf dieselbe Weise wie für den Halbleiter gemäß Pig.4über den Einlauf 45 in die Mitte des-wärmeableitenden Körpers 15a der untersten Halbleiteranordnung geleitet, !fach Durchlaufen dieser Halbleiteranordnung geht das Kühlmittel, so wie es für die Halbleiteranordnung gemäß Pig.The coolant is in the same way as for the semiconductor according to Pig.4 via the inlet 45 in the center of the heat dissipating Body 15a of the lowermost semiconductor arrangement passed, this is possible by passing through this semiconductor arrangement Coolant such as that for the semiconductor device according to Pig.

beschrieben ist, durch den Auslauf 46c hinaus und in den Einlauf 45c der nächsten (zweiten) Halbleiteranordnung hinein. Diese Halbleiteranordnung wird auf dieselbe Art durchflossen wie die vorhergehest (erste) und das Kühlmittel geht auf dieselbe Weise hinein und passiert die darauffolgende (dritte) Halbleiteranordnung. Danach geht das Kühlmittel in die nächste (vierte) Halbleiteranordnung und verläßt den Stapel am Auslauf der letztgenannten Halbleiteranordnung. Im Beispielsfalle sind die Halbleiteranordnungen in" Reihe geschaltet, und es gibt nur zwei Anschlußleiter 37 ac bzw. 37 bc.is described, through the outlet 46c out and into the Inlet 45c of the next (second) semiconductor arrangement. This semiconductor arrangement is traversed in the same way like the previous one (first) and the coolant goes in the same way and passes the next one (third) Semiconductor device. The coolant then goes into the next (fourth) semiconductor arrangement and leaves the stack at the outlet of the last-mentioned semiconductor arrangement. In the example case the semiconductor devices are connected in "series, and there are only two connecting conductors 37 ac and 37 bc.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird die Kühlung der Halbleiteranordnungen ahne Verwendung von Schläuchen oder anderen Yerbindungsrohren zwischen den einzelnen Halbleiteranordnungen ausgeführt, was die Kühlung sehr einfach, sicher und wirksam macht. As can be seen from Fig. 6, the cooling of the semiconductor devices Without the use of hoses or other connecting pipes between the individual semiconductor arrangements, which makes cooling very simple, safe and effective.

Bei den in Mg. 3, 4 und 6 gezeigten Halbleiteranordnungen kann das Halbleitersystem auf der einen Seite mit einem Lot, z.B. einem Gold-Zinn-Iiot, an dem dort gelegenen Anschlußkörper fixiert sein. Somit kann ein Lot zwischen der Stützplatte 21 und dem wärmeableitenden Körper 15 in der Anordnung gemäß Fig. 3 angeordnet sein und ein Lot zwischen der Stützplatte 21 und dem wärmeableitenden Körper 15a in der Anordnung gemäß lig. 4 und 6.In the case of the semiconductor devices shown in Figs. 3, 4 and 6, the semiconductor system can be sealed on one side with a solder, e.g. a gold-tin-Iiot, to be fixed to the connecting body located there. Thus, a solder can be used between the support plate 21 and the heat dissipating body 15 in the arrangement shown in FIG Fig. 3 be arranged and a solder between the support plate 21 and the heat dissipating body 15a in the arrangement according to FIG lig. 4 and 6.

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Claims (13)

Patentansprüche:Patent claims: Halbleiteranordnung, z.B. eine Kristalldiode, ein Thyristor oder ein !Transistor, bei der ein Halbleitersystem mit einer Halbleiterscheibe zwischen zwei Anschlußkörpern für den elektrischen Strom angeordnet ist und von diesem gedrückt gehalten wird, wobei zumindestens der eine der Anschlußkörper ein wärmeableitender Körper aus Kupfer ist, einen plattenähnlichen und an einer Seite am Halbleitersystem anliegenden Teil und auf der anderen Seite mehrere aus diesem herausragende Stifte mit Zwischenräumen für die Zuführung eines strömenden Kühlmittels zu den Stiften hat, dadurch gekennzeichnet, daß zur lusübung eines Druckes auf das Halbleitersystem (20, 21, 22) eine Druckplatte (33) dient, die an den Stirnflächen der Stifte (16) anliegt und ihren Druck über diese Stifte auf den plattenähnlichen Teil des wärmeableitenden Körpers (15) und damit auf das Halbleitersystem überträgt, und daß der plattenähnliche Teil des wärmeableitenden Körpers einen Teil eines hermetisch dichten Gelfiises für das Halbleitersystem bildet.Semiconductor arrangement, e.g. a crystal diode, a thyristor or a transistor, in which a semiconductor system with a Semiconductor wafer is arranged between two connection bodies for the electrical current and pressed by this is held, wherein at least one of the connection body is a heat-dissipating body made of copper, a plate-like and on one side adjacent to the semiconductor system and on the other side several protruding from this Has pins with spaces for the supply of a flowing coolant to the pins, characterized in that to exert pressure on the semiconductor system (20, 21, 22) a pressure plate (33) is used, which is attached to the end faces of the pins (16) is applied and its pressure via these pins on the plate-like Part of the heat-dissipating body (15) and thus transfers to the semiconductor system, and that the plate-like Part of the heat-dissipating body forms part of a hermetically sealed gel film for the semiconductor system. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer für den wärmeableitenden Körper (15)» zumindestens das der Stifte (16) bei 30 Kilopond Belastung eine Vickershärte von mehr als 60 (H7^q"^ 60) hat.2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the copper for the heat-dissipating body (15) »at least that of the pins (16) at 30 kilopond load has a Vickers hardness of more than 60 (H 7 ^ q" ^ 60). 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wänseableltende Körper (15) ait seinen Stiften3. Semiconductor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the wänsabeltende body (15) ait its pins 009886/1346009886/1346 - 15 -- 15 - (16) ein in einem einzigen Stück gepreßter Körper ist.(16) is a body pressed in a single piece. 4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeableitende Körper (15) mit seinen Stiften (16) ein in einem einzigen Stück kaltgepreßter Körper ist. 4. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat-dissipating body (15) with its pins (16) is a body cold-pressed in a single piece. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschlußkörper aus dem wärmeableitenden Körper (15) und der zweite Anschlußkörper aus einem Stromabnehmer (28) besteht, der nicht mit einem strömendem Kühlmittel gekühlt wird, und daß der Stromabnehmer (28) und die Druckplatte (33) mit einer Preßanordnung in Richtung auf das Halbleiter sys tem (20) gepreßt gehalten werden.5. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the one connection body from the heat-dissipating body (15) and the second connection body consists of a pantograph (28) that is not connected to a flowing coolant is cooled, and that the current collector (28) and the pressure plate (33) with a pressing arrangement in Direction of the semiconductor system (20) are kept pressed. 6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Ansehlußkörper aus dem wärmeableitenden Körper (15a) und der zweite Ansehlußkörper ebenfalls aus einem wärmeableitenden Körper (15b) der in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Art besteht, daß die Stirnflächen der Stifte beider wärme able! tender Körper an je einer Druckplatte (33a, 33b) anliegen und einem in Hichtung auf das Halbleitersystem (20) wirksamen Druck ausgesetzt sind, und daß die Druckplatten mit einer Preßanordnung in Richtung auf das Halbleitersystem gepreßt gehalten werden.6. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the one connection body from the heat dissipating body (15a) and the second connection body also from a heat-dissipating body (15b) in the Claims 1 to 4 specified type consists that the end faces of the pins both heat able! tender body on one each Pressure plate (33a, 33b) and one in the direction of the Semiconductor system (20) are subjected to effective pressure, and that the pressure plates with a pressing arrangement in the direction of the semiconductor system are kept pressed. - 16 0 09 8 8 6 / 1"3'4 6 - 16 0 09 8 8 6/1 "3'4 6 7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche auf halber Höhe jedes Stiftes und winkelrecht zu seiner Längsrichtung 0,5 - 10 mm2 ist und daß auf jedem cm2 Fläche des plattenähnlichen Teils winkelrecht zu der Längsrichtung der Stifte mindestens fünf Stifte angeordnet sind.7. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cross-sectional area at half the height of each pin and at right angles to its longitudinal direction is 0.5-10 mm 2 and that on each cm 2 area of the plate-like part is at right angles to the longitudinal direction of the Pins at least five pins are arranged. 8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindestens einem der wärmeableitenden Körper (15) die Querschnittsfläche auf halber Höhe jedes Stiftes (16) und8. A semiconductor device according to claim 6, characterized in that in at least one of the heat-dissipating body (15) the Cross-sectional area halfway up each pin (16) and 2 winkelrecht zu seiner Längsrichtung 0,5 - 10 mm ist und daß2 is at right angles to its longitudinal direction 0.5-10 mm and that auf jedem cm2 Fläche des plattenähnlichen Teils dieses Köpers winkelrecht zu der Längsrichtung der Stifte mindestens fünf Stifte angeordnet sind.on every cm 2 area of the plate-like part of this body, at least five pins are arranged at right angles to the longitudinal direction of the pins. 9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Anordnung für die Zuführung von Kühlmittel in den zentralen Teil des wärmeableitenden Körpers (15) winkelrecht zu seinem plattenähnlichen •Teil versehen ist.9. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 5 and 7, characterized in that it is provided with an arrangement for the Supply of coolant in the central part of the heat dissipating Body (15) is provided at right angles to its plate-like • part. 10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Anordnung für die Zuführung von Kühlmittel zumindestens in den zentralen Teil des einen wärmeableitenden Körpers (15) winkelrecht zu seinem plattenähnlichen Teil versehen ist.10. Semiconductor arrangement according to one of claims 6 and 8, characterized in that it is provided with an arrangement for the Supply of coolant at least into the central part of the one heat-dissipating body (15) at right angles to its plate-like body Part is provided. 009886/1346 - 17 -009886/1346 - 17 - 11. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6, 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersystem (20) mit seinem hermetisch dichten Gehäuse (15, 25, 26) sowie die wärmeableitenden Körper (15) mit ihren Stiften (16) in einem Gehäuse (49) für das strömende Kühlmittel angeordnet sind, das an dem zentralen Teil des einen wärmeverbreitenden Körpers (15) mit einer Einlauf öffnung (45.) und an dem zentralen Teil des anderen wärme ableitenden Körpers mit eine ^/Auslauf öffnung (46) für das strömende Kühlmittel versehen ist, und daß außerdem mit einer um das Gehäuse des Halbleitersystems angeordneten Passage (50) für das Kühlmittel von dem einen der beiden wärmeableitenden Körper zu dem anderen versehen ist.11. Semiconductor arrangement according to one of claims 6, 8 and 10, characterized in that the semiconductor system (20) with its hermetically sealed housing (15, 25, 26) and the heat-dissipating body (15) with their pins (16) in one Housing (49) are arranged for the flowing coolant, the at the central part of a heat dissipating body (15) with an inlet opening (45th) and at the central part of the another heat dissipating body with a ^ / outlet opening (46) is provided for the flowing coolant, and that also arranged around the housing of the semiconductor system Passage (50) is provided for the coolant from one of the two heat-dissipating bodies to the other. 12. Stapel von Halbleiteranordnungen, bestehend aus mehreren Halbleiteranordnungen nach einem der Ansprüche 6, 8, 10 und 11, gekennzeichnet durch eine Druckplatte (33) in jeder Halbleiteranordnung, die gegen eine Druckplatte der angrenzenden Halbleiteranordnung anliegt. 12. Stack of semiconductor devices, consisting of several Semiconductor arrangements according to one of Claims 6, 8, 10 and 11, characterized by a pressure plate (33) in each semiconductor arrangement, which rests against a pressure plate of the adjacent semiconductor device. 13. Stapel von Halbleiteranordnungen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlauf- und Auslauföffnungen (45, 46)/das strömende Kühlmittel in den Druckplatten (33) und die Auslauföffnun/gen der einen Halbleiteranordnung so angeordnet sind, daß sie direkt In did Einlauf öffnung der angrenzenden Halbleiteranordnungen übergehen.\ . -13. Stack of semiconductor devices according to claim 12, characterized characterized in that the inlet and outlet openings (45, 46) / the flowing coolant in the pressure plates (33) and the discharge openings of the one semiconductor arrangement as follows are arranged that they did directly into the inlet opening of the adjoining Skip semiconductor arrangements. \. - 003886/134 6003886/134 6 LeerseiteBlank page
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