DE2220682A1

DE2220682A1 - Kuehlelemente fuer scheibenfoermige halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE2220682A1
Application number: DE19722220682
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl-Ing Amelunxen
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1972-04-27
Filing date: 1972-04-27
Publication date: 1973-11-08
Also published as: AT320797B; CH549869A; FR2182133A1; DE2220682B2; IT980359B; FR2182133B3

Description

BROWN, BOVERl & CiE . AKTIENGESELLSCHAFT fcj ■ }^:^φ

MAf4 H MEiM · BRO'vVN SCWERI

Mp.-Nr. 542/72 Mannheim, den 24.4.1972

.PAT- NL/St.

"Kühlelemente für scheibenförmige Halbleiterbauelemente"

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ί Die Erfindung bezieht sich auf Kühlelemente für scheibenförmige j Halbleiterbauelemente mit zwei Kühlkörpern, welche in Wirkver= bindung mit jeweils einer Stirnfläche des Halbleiterbauelemen=

j tes stehen.

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Halbleiterbauelemente in Scheibenform, vorzugsweise Thyristoren, wie sie in der Leistungselektronik benutzt werden, sind bekannt. Sie bieten gegenüber solchen Bauelementen mit Flachboden- oder Schraubgehäusen den wesentlichen Vorteil, daß das scheibenför= mige aktive Element beidseitig intensiv gekühlt werden kann, wo= durch höhere Leistungen erzielbar sind.

Es ist bekannt, die Kühlung von Halbleiterbauelemente durch Ei= gen- oder Fremdbelüftung vorzunehmen. Hierzu dienen vorv/iegend gerippte Aluminiumkörper die derart ausgeführt sind, daß das zu kühlende Halbleiterbauelement zwischen den durchweg symmetrisch nebeneinander liegenden Kühlkörpern mittels einer Spannvorrich= tung eingeklemmt wird. Die Stromzuführung erfolgt an zu diesem Zweck besonders ausgeprägten Stellen des Aluminiumkühlers. Diese ;

befinden sich meist am Umfang des Kühlkörpers.

Bei bekannten Lösungen dient jedoch der Aluminiumkühlkörper als \

Stromzuführung, wodurch die übergänge von dem Aluminiummaterial. , zu den meist aus Kupfer bestehenden Anschlußelementen, wie Kabel=

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schuh oder Stromschiene, bei längerem Betrieb Anlaß zu Unregel= mäßigkeiten geben. Die Unregelmäßigkeiten bestehen in schlechten i

Übergangswiderständen, die nicht mehr tragbare Ausmaße annehmen ; können. Dadurch werden die Thyristoren zu heiß, zünden unkontrol=; lierbar und können zum Ausfall führen. Ähnlich verhält es sich j bei dem Übergang des Halbleiterbauelementes zu dem Kühlkörper. Auch hier ist das Langzeitverhalten kritisch, was besonders bei direkter Parallelschaltung von Thyristoren zu ungleicher Strom= verteilung führen kann. Die Ursache dürfte in der Bildung einer schlecht leitenden Schicht ^auf der Oberfläche des Aluminiums liegen.

Die genannten Mangel der bekannten Kühlvorrichtungen sind zwar durch Kupferbolzen, die in den Aluminiumkühlkörper eingepreßt wurden und die Verbindung Halbleiterbauelement - Kühlkörper über= nehmen, vermindert worden, doch das Langzeitverhalten derartiger Anordnungen ist weiterhin insbesondere bei Wechsellast und Pa= rallelschaltungen kritisch.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Kühlelement für schei= benförmige Halbleiterbauelemente zu schaffen, welches neben einer! guten thermischen Belastbarkeit kleinste elektrische Übergangs= j widerstände zwischen Anschlußelementen, Kühlkörper und Halblei= ter erreicht.

Erfindungsgemäß erreicht man dies dadurch, daß zwischen den Stirn= flächen des Halbleiterelementes und den Kühlkörpern Ableitplat= ten angeordnet, daß die beiden Kühlkörper längs einer gemeinsamen j Achse angeordnet sind, daß Hauptstromzuführungen für das Halb= leiterbauelement isoliert durch wenigstens einen der beiden Kühl= körper bis zu den Ableitplatten geführt sind und daß die Haupt= Stromzuführungen und die Ableitplatten aus einem Material mit besserer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit als der der Kühlkörper bestehen. Die beiden Ableitplatten bestehen aus dem . gleichen Material wie das Halbleiterbauelement und sind durch

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Befestigungselemente mit den beiden Kühlkörpern verbunden. Die Hauptstromzuführungen sind durch Befestigungselemente mit den ' Ableitplatten verbunden. Zwischen die Ableitplatten und die be= treffenden Kühlkörper ist ein Wärmeleitmittel eingefügt. Die Hauptstromzuführungen und die Ableitplatten sind galvanisch mit einem Metallüberzug versehen.

Vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist besonders die raumsparende Anordnung des Kühlelementes. Ein geringer Platz= bedarf ist dadurch gegeben, daß außerhalb des Kühlkörperumfanges auf Grund der Hauptstromführungen keine' zusätzlichen Leitungs= schienen verlegt v/erden müssen. Durch die neue Art des Überganges von dem scheibenförmigen Halbleiterbauelement zu den Ableitplat= ten und den daran angeschlossenen Hauptstromzufuhrungen konnte, da alle Bauteile aus einem Material mit guter Leitfähigkeit und gutem Kontaktverhalten bestehen, ein hervorragendes Langzeitver= halten des gesamten Kühlelementes erreicht werden. Störende Ef= fekte, die aus dem Übergang zwischen unterschiedlichen Materia= lien herrühren, konnten somit beseitigt werden.

Die auf das Kühlelement zu setzenden Ableitplatten können auch von Hilfskräften ohne Vorkenntnisse montiert werden.

Gegenüber bekannten Lösungen konnte der Herstellaufwand wesent= lieh verringert werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vorschlages ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Kühlelement in der Vorderansicht und Fig. 2 die Seitenansicht teilweise im Schnitt.

Das Kühlelement besteht aus den beiden Kühlkörpern 1 und 2, die zur besseren Wärmeableitleitung gerippt ausgeführt sind. Die bei= den Kühlkörper bestehen aus Aluminium, weil Aluminium im Verhält

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nis zu seinem Preis eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die beiden Kühlkörper 1 und 2 weisen stumpfe Flächen auf und sind längs einer gemeinsamen Achse angeordnet. An die stumpfe Fläche des Kühlkörpers 1 und des Kühlkörpers 2 ist jeweils eine Ableit= platte 3 bzw. 4 mit Befestigungselemehten, vorzugsweise Schrauben 5, angeflanscht. Zwischen diesen beiden Ableitplatten 3 und 4 befindet sich das scheibenförmige Halbleiterbauelement 6, so daß die Stirnfläche des Halbleiterbauelementes unmittelbar an den Ableitplatten anliegen. Dieses hintereinander angeordnete System aus Kühlkörpern, Ableitplatten und Halbleiterbauelement wird mit einer Spannvorrichtung zusammengepreßt. Diese Spannvor= richtung besteht aus Schrauben und ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Da die Kontaktteile des Halbleiters 6 vorzugsweise aus Kupfer bestehen, sind auch die Ableitplatten 3 und 4 aus dem selben Ma= terial. Durch diesen guten Kontakt zwischen den Stirnflächen des Halbleiterbauelementes und den Ableitplatten ist eine bessere Wärmeübertragung und eine hervorragende und auch über lange Zeit gleichmäßige Stromübertragung möglich.

Die Hauptstromzuführung für das Halbleiterbauelement erfolgt durch Rohre 7 und 8, die parallel zur Achse des scheibenförmigen Halbleiterbauelementes geführt sind. Das Rohr 7 ist hierbei durch den Kühlkörper 2 verlegt und ist mit.nicht dargestellten Schrauben an der Ableitplatte 4 befestigt. Das Rohr 8 führt da= gegen innerhalb eines Isolierkörpers 9 durch den Kühlkörper 2 und ist an der Ableitplatte 3 befestigt.

Die Rohre 7 und 8 für die Hauptstromzuführung sind ebenfalls auch aus dem gleichen Material wie das Halbleitergehäuse und die Ab= leitplatten. Die Verbindung zur äußeren Schaltung erfolgt durch

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Klemmen oder Kabelschuhe,· die an den anschlußseitigen Enden der Rohre befestigt sind.

Zur Erhöhung der Wärmeableitfähigkeit v/ird zv/ischen den Ableit= platten 3,4 und den Kühlkörpern 1,2 ein im Verarbeitungszustand pastenförmiges oder flüssiges Mittel, z.B. gefülltes Siliconfett oder mit Metallpulver gefülltes Kunstharz, gegeben, das einen besseren Wärmeübergang zwischen dem Aluminium der Kühlkörper und dem Kupfer der Ableitplatten herstellt.

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Claims

Patentansprüche

Kühlelementerfür scheibenförmige Halbleiterbauelemente mit zwei Kühlkörpern, welche in Wirkverbindung mit jeweils einer Stirnfläche des Halbleiterbauelementes stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stirnflächen des Halblei= terelementes (6) und den Kühlkörpern (1,2) Ableitplatten (3, 4) angeordnet, daß die beiden Kühlkörper (1,2) längs einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, daß Hauptstromzuführungen (7,8) für das Halbleiterbauelement isoliert durch wenigstens i einen der beiden Kühlkörper (1,2) bis zu den Ableitplatten (3,4) geführt sind und daß die Hauptstromzuführungen (7,8) und die Ableitplatten aus einem Material mit besserer elek= trischer und thermischer Leitfähigkeit als der der Kühlkör= per (1,2) bestehen.
2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ableitplatten (3,4) aus dem gleichen Material wie das Halbleiterbauelement (6) bestehen und durch Befestigungs= elemente (5) mit den beiden Kühlkörpern (1,2) verbunden sind.j
3. Kühlelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromzuführungen (7,8) durch Befestigungsele= I mente mit den Ableitplatten (3,4) verbunden sind.
4. Kühlelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitmittel zwischen die Ableitplatten und die betreffenden Kühlkörper eingefügt ist.
5. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ι die Hauptstromzuführungen (7,8) und die Ableitplatten (3,4) j galvanisch mit einem Metallüberzug versehen sind.

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