DE2363725C3

DE2363725C3 - Semiconductor rectifier arrangement

Info

Publication number: DE2363725C3
Application number: DE19732363725
Authority: DE
Inventors: Winfried 8542 Roth; Heilbronner Heinrich Dr.-Ing. 8501 Deutenbach Schierz
Original assignee: Semikron Gesellschaft für Gleichrichterbau und Elektronik mbH, 8500 Nürnberg
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1976-11-11

Description

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Trägerplatte zur Ableitung der Verlustwärme des HJbieiterelements beim Betrieb eine zum Isolierstoff körper vergleichsweise große Flächenausdehnung aufweist, daß das Kontaktteil lose an der von cer Trägerplatte abgewandten Stirnfläche des Isc^erstoffkörpers an'iegt. daß die zur Aufnahme des Halbleiterelement··, »orgesehene Öffnung des Isolierstoffkörpers eine zur Führung des Ansatzes des Kontaktieiis dienende, zum Kontaktteil gerichtete Ausbuchtung aufweist. Ausbuchlung aufweist, und daß der innerhalb der exzentrischen öffnung des Isolierstoffkörpers befindliche, aus Halbleiterelement und deren durch den Ansatz gebildeten Anschlußleiter bestehende Aufbau in einer Kunststoffmasse eingeschlossen ist _IS The solution to this problem is that the carrier plate for dissipating the heat loss of the HJbieiterelements during operation has a comparatively large area to the insulating body, that the contact part loosely on the end face of the insulating body facing away from the carrier plate. that the opening of the insulating body provided for receiving the semiconductor element has a bulge which serves to guide the attachment of the contact element and is directed towards the contact part. Has bulge, and that the structure, which is located within the eccentric opening of the insulating material body and consists of semiconductor element and its connection conductor formed by the attachment, is enclosed in a plastic compound _IS

An Hand der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In F i g. 1 ist im Schnitt eine mit einem Halbleiterelement und seinen Kontaktbauteilen versehene Hälfte eines zu einer Symmetrieebene spiegelbildlichen, erfin dungsgemäßen Aufbaus dargestellt und F i g. 2 zeigt in Draufsicht eine auf einem Ausschnitt einer Trägerplatte erstellte Anordnung nach der Erfindung, Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt. On the basis of the FIGS. 1 and 2 illustrated embodiments structure and mode of operation of the subject matter of the invention are shown and explained. In Fig. 1 is a section with a semiconductor element and its contact components provided half of a mirror image of a plane of symmetry, invented shown according to the structure and F i g. 2 shows a plan view of a section of a carrier plate Created arrangement according to the invention, the same designations are chosen for the same parts in both figures.

Bei einer Ausführungsform gemäß der Darstellung in Fig.l weist ein flacher Isolierstoffkörper t eine zentrale Durchbohrung Ij zur Durchführung eines Bolzens oder einer Spindel und wenigstens zwei zu dieser Durchbohrung konzentrische, beispielsweise zylindrische öffnungen 16 zur Aufnahme je eines Halbleiter elements 4 und seiner Kontaktbauteile auf.In one embodiment as shown in Fig.l, a flat insulating body t has a central one Through hole Ij for the implementation of a bolt or a spindle and at least two for this Through-hole concentric, for example cylindrical, openings 16 for receiving one semiconductor each elements 4 and its contact components.

Der Isolierstoffkörper I kann beliebige Form haben, beispielsweise ringscheibenförmig ausgebildet sein, und besteht vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff, Er ist an einer Stirnseite vorteilhaft mittels Lötung mit einer Trägerplatte 2 von vergleichsweise großer Flächenausdehnung flächenhaft fest verbunden und zu diesem Zweck mit einer entsprechenden Metallisierung 3 versehen.The insulating body I can have any shape, For example, be designed in the shape of an annular disk, and is preferably made of ceramic or plastic, Er is advantageous on one end face by means of soldering to a carrier plate 2 of comparatively large surface area Firmly connected over a large area and for this purpose with a corresponding metallization 3 Mistake.

Die Trägerplatte 2 bildet zusammen mit dem Isolierstoffkörper 1 durch einseitige Abdeckung der öffnungen 16 je ein Gehäuse für je ein Halbleiterelement 4 und dient gleichzeitig als Stromleiter desselben. Dadurch entfällt der bei bekannten Anordnungen gegebene Wärmeübergang zwischen Trägerplatte des Halbleiterelements und zusätzlicher Kühlplatte. Die Trägerplatte 2 kann aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder aus einem anderen, hinreichend thermisch und elektrisch s° leitenden Metall oder aus Legierungen solcher Metalle bestehen. Ihre Dicke und ihre Flächenausdehnung werden durch die Forderung nach ausreichender Ableitung der in den Halblcitcrelcmenlcn beim Einsatz entstehenden Verlustwärme und durch die Wärmeleitfähigkeil des verwendeten Materials bestimmt. An der der Trägerplatte 2 gegenüberligendcn Stirnseite des Isolierstoffkörpers 1 ist ein Kontaktteil 6 zur gemeinsamen Kontaktierung der oberen Kontaktelektrode der Halbleiterelemente 4 vorgesehen, das bedarfsweise ^b0 gleichzeitig zur Kontaktierung mit einer weiteren, auf einer gemeinsamen Spindel anschließenden Anordnung dient.The carrier plate 2, together with the insulating body 1, by covering the openings 16 on one side, forms a housing each for one semiconductor element 4 and at the same time serves as the conductor of the same. This eliminates the heat transfer between the carrier plate of the semiconductor element and the additional cooling plate, which occurs in known arrangements. The carrier plate 2 can consist of aluminum, copper, iron or of another metal which is sufficiently thermally and electrically conductive or of alloys of such metals. Their thickness and their surface area are determined by the requirement for sufficient dissipation of the heat loss occurring in the half-metal elements during use and by the thermal conductivity wedge of the material used. At the carrier plate 2 gegenüberligendcn end face of the insulating material 1, a contact portion 6 is provided to the common contact of the upper contact electrode of the semiconductor elements 4, which, if required, at the same time serves ^b0 for making contact with a further, subsequent to a common spindle arrangement.

Das Kontaktteil 6 ist im wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet, in Anpassung an den Isolierstoffkörper 1 und die Trägerplatte 2 mit einer zentralen Durchbohrung versehen und in seiner Flächenausdeh-ηιιησ rlprienieen der Stirnfläche des Isolierstoffkörpers im Bereich zwischen den öffnungen \b angepaßt. Konzentrisch zu seiner zentralen Durchbohrung weist das Kontaktteil 6 je einen zungenförmigen Ansatz 7 zur weiteren Kontaktierung des jeweiligen Halbleiterelement!; auf, der aus einer bogenförmigen Ausbildurig zum Ausgleich von Wärmedehnungen und einem in die zugeordnete Öffnung \b hineinragenden, den oberen Anschlußleiier des Halbleiterelements bildenden Kon-Uktabschnitt besteht.The contact member 6 is formed ring disc shaped substantially provided in adaptation to the insulating body 1 and the support plate 2 with a central through bore and in its Flächenausdeh-ηιιησ the end face rlprienieen of the insulating material in the region between the openings \ adapted b. Concentric to its central through-hole, the contact part 6 has a tongue-shaped projection 7 for further contacting the respective semiconductor element !; on, which consists of an arched Ausbildurig to compensate for thermal expansion and a into the associated opening \ b protruding, the upper connection lead of the semiconductor element forming Kon-Uktabschnitt.

Das Kontaktteil 6 ist aus Kupfer oder aus anderem elektrisch gut leitenden MateriaL Die Dicke wird durch die Forderung nach hinreichender Ableitung des geringen Anteils an Verlustwärme der Halbleiteranordnung bestimmt, der bei Befestigung eines Halbleiterelement auf einem thermisch gut leitenden Grundköder uiv bei weiterer Kontaktierung mit einem draht- odn! zenförmigen Leiter als oberem Ansehlußleuc des Li-. mems über diesen abfließt.The contact part 6 is made of copper or other electrically good conductive material. The thickness is through the requirement for adequate dissipation of the small proportion of heat loss from the semiconductor arrangement determined when attaching a semiconductor element on a thermally highly conductive basic bait uiv with further contact with a wire or! zen-shaped Head as upper Ansehlußleuc of the Li. mems flows through this.

Zur einwandfreien, flächenhaften Kontaktierung der oberen Elektrode der Halbleitere'-cmeme. die beispiels weise aus Halbleiterscheibe und einer an jeder S. '. derselben befestigten Kontaktscheibe bestehen, kann zusätzlich ein metallisches Kontakistuck 5 aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise aus Kupfer, vorgesehen sein. Ls dient außerdem< ."jr Verbesserung des thermischen BeineKverhaiui^ ■ind. bei der Herstellung der erfindungsgemälien Anordnung, als Gewicht bei der Durchführung des Lu; Prozesses zur Kontaktierung des Halbleiterelement und ist zur Verbindung mit angrenzenden KonuiMr .*..-teilen bedarfsweise entsprechend obcrfläehenbeh.:^:- delt. Das Kontaktteil 6 liegt im übrigen lose .m den; Isolierstoffkörper 1 an, so daß betriebsbedingt! Wärmedehnungen der verschiedenen aneinandergien.cn den und/oder miteinander verbundenen Materialien oder Bauteile keinen unerwünschten Einfluß auf die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der An ordnung haben.For perfect, extensive contacting of the upper electrode of the semiconductor devices. The example of a semiconductor wafer and one at each S. '. consist of the same attached contact disk, a metallic contact piece 5 made of thermally and electrically highly conductive material, for example copper, can also be provided. Ls also serves to improve the thermal legs during the production of the arrangement according to the invention, as a weight when carrying out the process for contacting the semiconductor element and is appropriate for connection with adjacent KonuiMr. * ..- parts as required . obcrfläehenbeh ^.:: - delt the contact member 6 is in the rest loosely .m to; insulating body 1, so that thermal expansion of the various operational reasons the aneinandergien.cn and / or interconnecting materials or components no undesirable influence on the physical and electrical properties! have the arrangement.

Die Höhe des Isolierstoffkörpers richtet sich im wesentlichen nach dem Mindestabstand der Trägerplatte!! 2 von aufeinanderfolgenden Anordnungen zur Gewährleistung einer ausreichenden Selbstkühlung im Betrieb. Seine Wandstärke im Bereich der zentralen Durchbohrung Xa wird durch die gewünschte stirnseitige KoiUüktfläehc gegenüber der Trägerplatte der anschließenden Anordnung sowie durch die Fordeiuug nach ausreichender Druckbelastbarkeit festgelegt, und seine Wandstärke im Bereich der Öffnungen 1/) wird durch fertigungstechnische Gesichtspunkte bestimmt.The height of the insulating body is essentially based on the minimum distance between the carrier plate !! 2 of successive arrangements to ensure adequate self-cooling during operation. Its wall thickness in the area of the central through-hole Xa is determined by the desired end face KoiUüktfläehc opposite the carrier plate of the subsequent arrangement and by the requirement for sufficient compressive strength, and its wall thickness in the area of the openings 1 /) is determined by manufacturing aspects.

Zum Schutz des Halbleiterelements in seinem einseitig offenen Gehäuse gegenüber schädlichen Einflüssen der Umgebung ist der in der öffnung Ifa befindliche Aufbau in eine nicht dargestellte Kunststoffmasse eingeschlossen. To protect the semiconductor element in its one-sided The housing located in the opening Ifa is open to harmful influences from the environment Structure enclosed in a plastic compound, not shown.

Bei der in F i g. 2 in Draufsicht gezeigten Ausfiihrungsform mit einem Ausschnitt der Trägerplatte 2 ist der Isolierstoffkörper t annähernd rhombusförmig ausgebildet. Eine Spindel 8 ist durch die achsengleich angeordneten zentralen Durchbohrungen von Träger-F^rilte 2. Isolierstoffkörper 1 und Kontaktteil β geführt. Das letztere ist nur mit einem von zwei Ansätzen 7 dargestellt, um die besondere Ausgestaltung des Isolierstoffkörpers im Bereich der Öffnungen \b aufzuzeigen. In the case of the in FIG. In the embodiment shown in plan view with a section of the carrier plate 2, the insulating material body t is approximately diamond-shaped. A spindle 8 is guided by the ^r axis is disposed central through holes of carrier-F ILTE 2. insulating body 1 and contact part β. The latter is shown with only one of two approaches 7 in order to show the special design of the insulating body in the area of the openings \ b .

Die Öffnung 16 weist in ihrem Verlauf durch den Isolierstoffkörper t eine gleichmäßige, beispielsweise nutcnförmige. zur Führung des Ansatzes 7 dienende. zum Kontaktteil 6 gerichtete Ausbuchtung te auf. InThe opening 16 has a uniform, for example, in its course through the insulating body t groove-shaped. to guide the approach 7 serving. to the contact part 6 directed bulge te on. In

der nicht abgedeckten Öffnung Xb der Darstellung in F i g. 2 ist das Kontaktstück 5 mit beispielsweise vierekkigem Querschnitt gezeigt.the uncovered opening Xb of the illustration in FIG. 2 shows the contact piece 5 with, for example, a square cross-section.

Beispielsweise konnte bei erfindungsgemäßen Anordnungen mit Kühlplatten aus einer bekannten Aluminiumlegierung und mit einer Dicke von 1,5 mm gegenüber bekannten Halbleitergleichrichteranordnungen unter gleichen Voraussetzungen eine etwa um den Faktor 1,4 bis 1,5 höhere Strombelastbarkeit erzielt werden. For example, with arrangements according to the invention with cooling plates made of a known aluminum alloy and with a thickness of 1.5 mm known semiconductor rectifier arrangements under the same conditions approximately by a factor 1.4 to 1.5 higher current carrying capacity can be achieved.

Der Isolierstoffkörper 1 kann im Bereich der öffnungen Xb gegenüber dem zentralen Bereich stufenförmig abgesetzt ausgebildet sein und die Ausbuchtung Ic zur Aufnahme des Ansatzes 7 kann sich bis in den zentralen, zur Auflage des Kontaktteils 6 vorgesehenen Bereich erstrecken. In the area of the openings Xb , the insulating body 1 can be stepped away from the central area, and the bulge Ic for receiving the projection 7 can extend into the central area provided for supporting the contact part 6.

Das Kontaktstück 5 kann an seiner dem Ansatz 7 des Kontaktteils 6 zugewandten Fläche eine besondere, zur Führung des zur Kontaktierung vorgesehenen Teils des Ansatzes 7 dienende Ausbildung aufweisen, und das Kontaktteil 6 kann aus elastischem Leitermaterial bestehen. The contact piece 5 can on its surface facing the extension 7 of the contact part 6 a special, for Have leadership of the intended for contacting part of the approach 7 serving training, and that Contact part 6 can consist of elastic conductor material.

Das Halbleiterelement kann auch unter Auslassung des Kontaktstücks 5 direkt mit dem entsprechend ausgebildeten Abschnitt des Ansatzes 7 des Kontaktteils 6 kontaktiert werden.The semiconductor element can also with the omission of the contact piece 5 directly with the correspondingly formed Section of the approach 7 of the contact part 6 are contacted.

Erfindungsgemäße Halbleitergleichrichteranordnungen können in überraschend »infacher Weise hergestellt werden. Ein zur Erzielung von Trägerplatten 2 vorgesehener, bedarfsweise vorbehandelter Metallstreifen wird in einer durch Anzahl und Größe der gewünschten Gleichrichteranordnungen bestimmten Teilung mit Durchbohrungen versehen. An jeder Durchbohrung wird in übereinstimmender Anordnung derselben mit dessen zentraler Durchbohrung Xa ein Isolierstoffkörper 1 mit seiner metallisierten Fläche auf den Metallstreifen aufgelegt. Danach wird in jeder exzentrischen Öffnung lodes Isolierstoffkörpers ein aus Halbleiterelement 4 und Kontaktstück 5 gebildeter, auf dem Metallstreifen aufliegender Stapel gebildet und durch auf die Mittelachse der Durchbohrung des Metallstreifens bezogene Anordnung des Kontaktteils 6 mittels dessen Ansatz 7 fixiert.Semiconductor rectifier arrangements according to the invention can be produced in a surprisingly simple manner. A metal strip provided, if necessary, pretreated, is provided with through-holes in a pitch determined by the number and size of the desired rectifier arrangements. At each through hole, an insulating material body 1 is placed with its metallized surface on the metal strip in a matching arrangement of the same with its central through hole Xa. Thereafter, a stack formed from semiconductor element 4 and contact piece 5 and resting on the metal strip is formed in each eccentric opening lodes insulating material body and is fixed by means of its attachment 7 by arranging the contact part 6 in relation to the central axis of the through hole of the metal strip.

In einem anschließenden Verfahrensschritt werden beispielsweise im Durchlaufofen durch Löten gleichzeitig sämtliche Bauteile an jeweils entsprechenden Stellen zu einer Baueinheit verbunden. Im Verlauf der Abkühlung des Aufbaus nach dem Lötprozeß wird jede öffnung Xb mit einer Kunststoffmasse gefüllt, um das Halbleiterelement und seinen oberen Anschlußleiter einzuschließen. Nach dem Aushärten der Gießmasse kann der Metallstreifen in Baugrößen mit einer oder mehreren Baueinheiten zerteilt werden.In a subsequent process step, for example in a continuous furnace, all components are simultaneously connected to a structural unit at corresponding points by soldering. In the course of the cooling of the structure after the soldering process, each opening Xb is filled with a plastic compound in order to enclose the semiconductor element and its upper connecting conductor. After the casting compound has hardened, the metal strip can be divided into sizes with one or more structural units.

Der Zusammenbau erfindungsgemäßer Gleichrichteranordnungen zu Gleichrichtereinheiten erfolgt in einfacher Weise durch Aufreihen zusammen mit Ab-Standsstücken und Anschlußbauteilen auf wenigstens einer Spindel in einer durch die gewünschte Schaltung bestimmten Zuordnung und durch entsprechende äußere Verbindungen unabhängig von der Anzahl der aufgereihten Anordnungen.The assembly of rectifier arrangements according to the invention to form rectifier units takes place in a simple manner by lining up together with spacers and connecting components on at least a spindle in a through the desired circuit specific assignment and through corresponding external connections regardless of the number of lined up Arrangements.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichteranordnung bestehen auf Grund direkter Befestigung des Halbleiterelements auf einem Kühlbauteil in einem verbesserten thermischen Betriebsverhalten und in einem wirtschaftlicheren Zusammenbau mehrerer Anordnungen zu einer gewünschten Gleichrichterschaltung sowie darin, daß im Vergleich zu bekannten Bauformen eine geringere Anzahl von teilweise einfacheren Bauteilen erforderlich ist, und daß das Halbleiterelement gleichzeitig mit allen anderen Bauteilen in einem Verfahrensschritt kontaktiert werden kann.The advantages of the semiconductor rectifier arrangement according to the invention exist due to the direct fastening of the semiconductor element on a cooling component in improved thermal performance and in more economical assembly several arrangements to a desired rectifier circuit as well as that compared to known Structures a smaller number of sometimes simpler components is required, and that the Semiconductor element can be contacted simultaneously with all other components in one process step can.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor rectifier arrangement, in which a metallic carrier plate, a flat insulating material body and a piatten-shaped, metallic contact part, each correspondingly at a central perforation, are stacked, in which at least one semiconductor element fastened on the carrier plate and connected to the contact part within a for Axis of the central through-hole, eccentric, continuous opening of the insulating material body located between the contact part and the carrier plate is arranged, and in which the contact part is provided with an aperture extending into the eccentric opening and provided as a connection conductor of the semiconductor element, characterized in that the carrier plate ( 2) to dissipate the heat loss of the semiconductor element (4) during operation has a comparatively large area to the insulating body (1) that the contact part (6) loosely on the end face of the Iso facing away from the carrier plate (2) lierstoffkörpers (1) that the opening (\ b) of the insulating body (1) provided for receiving the semiconductor element (4) has a bulge (Ic) serving to guide the extension (7) of the contact part (6) and directed towards the contact part (6) ) and that the inside of the eccentric opening (\ b) of the insulating material body (1), consisting of semiconductor element (4) and its connection conductor formed by the extension (7) is enclosed in a plastic compound.

2. Semiconductor rectifier arrangement according to claim 1, characterized in that the carrier plate (2) is made of an aluminum alloy and has a nickel coating.

3. Semiconductor rectifier arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the Carrier plate (2) two or more for the arrangement of an insulating body (1) and a contact part (6) has serving holes.

4. Semiconductor rectifier arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating body (1) consists of ceramic or plastic and at its for connection with the Carrier plate (2) provided surface (3) is provided with a metallization (3).

5. Semiconductor rectifier arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the semiconductor element (4) and the extension (7) of the contact part (6) a contact of the semiconductor element (4) during the soldering process favoring contact piece (5) is arranged.

6. Semiconductor-like conductor arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the matching through bores of the carrier plate (2), insulating body (1) and contact part (6) are polygonal.

7. Semiconductor rectifier unit with semiconductor rectifier arrangements according to one of claims 1 to 6, characterized in that two or more semiconductor rectifier arrangements in one determined by the desired circuit, f> 5 mutual assignment on at least one spindle (8) are lined up and contacted.

The invention relates to a semiconductor rectifier arrangement, in which a metallic carrier plate, a flat insulating body and a plate-shaped, metallic contact part, each at a central through-hole corresponding, are stacked, in which at least one attached to the support plate and with the semiconductor element connected to the contact part within an eccentric to the axis of the central through-hole lying, continuous opening of the insulating body located between the contact part and the carrier plate is arranged, and in which the contact part with an extending into the eccentric opening, as a connection conductor of the semiconductor element provided approach is provided.

Known semiconductor rectifier arrangements have ring-shaped semiconductor components that are flat between plate-shaped cooling components, which are preferably used simultaneously to conduct electricity are arranged. These semiconductor components exist from an annular ceramic body, from on its end faces with this firmly connected metallic cover plates with a central recess and from at least one semiconductor element which is located in an eccentrically arranged, axial through-hole in the ceramic body attached to the inside of a cover plate and with its other electrode with the whose cover plate is contacted. By lining up such Also called silicon ring rectifier semiconductor components and the cooling components on one Spindle, desired semiconductor rectifier arrangements can be achieved.

From US Patent 32 90 566 and from the see Auslegeschrift 12 59 470 such silicon ring rectifiers known. However, these known embodiments require to be flawless Dissipation of the heat losses that arise in them during use, a special treatment of the external ones Contact surface of the cover plates for contact with the cooling components, as well as a largely plane-parallel one Arrangement of these contact surfaces for centric bracing of all components on the threaded spindle. Farther the assembly of ceramic body, cover plates and semiconductor element is not desired Degree economical, and finally is for rectifier circuits with one by parallel connection Such ring rectifiers achieved higher current carrying capacity a considerable, often less economical Expenditure on components and space required.

Corresponding embodiments are described in French patent 13 70 304, wherein the one located between the two cover plates, with recesses for receiving semiconductor elements provided body made of at least one middle layer of insulating material and one outer each metallic layer should exist for a tight connection with the cover plates. Also these known arrangements show the disadvantages mentioned above.

The invention relates to such semiconductor rectifier arrangements which are provided to be lined up on a spindle.

It was based on the object of such semiconductor rectifier arrangements to create with a structure in which simpler components without complex pretreatment kör.nen can be assembled particularly efficiently, and the manufacture is less complex of rectifier circuits with the desired current carrying capacity.