DE2525652A1

DE2525652A1 - Leistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2525652A1
Application number: DE19752525652
Authority: DE
Inventors: Pavel Kafunek; Jindrich Kratina; Michal Dipl Ing Pellant; Oldrich Dipl Ing Pokorny; Pavel Dipl Ing Reichel; Jaroslav Zuna
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-06-09
Publication date: 1976-03-25
Also published as: GB1482297A; CH589360A5; US4037246A; PL100320B1; CS169520B1; JPS5138979A; SE7506725L

Description

Lexstungshalbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Lexstungshalbleiterbauelement, besonders mit Verdampfungskühlung oder forcierter Flüssigkeitskühlung.

Halbleiterbauelemente für große Leistungen enthalten gewöhnlich ein aus einer Halbleiterscheibe, beispielsweise aus Silizium, und aus mindestens einer Versteifungsunterlage, beispielsweise aus Wolfram oder Molybdän bestehendes Halbleitersystem. Dieses Halbleitersystem ist zwischen zwei dem elektrischen Stromanschluß dienenden Gliedern, den sogenannten Anschlußelektroden, angebracht. Das Halbleitersystem kann an diese Anschlußelektroden angelötet sein oder mit ihnen durch Anpreßdruck in Kontakt gehalten werden.

Wenn das Halbleitersystem mit Weichlot an die Anschlußelektroden angelötet ist, entstehen in der Halbleiterscheibe

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Schubbeanspruchungen, und wenn es mit Hartlot angelötet ist, entstehen Spannungen, die zu einem Bruch der spröden Halbleiterscheibe führen können. Wenn die Halbleiterscheibe oder das Halbleitersystem mit den Anschlußelektroden durch Anpreßdruck in Kontakt gehalten werden, müssen für gewöhnlich massive Spannkonstruktionen angewendet werden; denn zur Begrenzung des thermischen und des elektrischen Widerstands zwischen Kühlkörper, evtl. Anschlußelektroden und Siliziumscheibe oder Halbleitersystem ist eine verhältnismäßig große Anpreßkraft erforderlich.

Es besteht hier außerdem das Problem unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Halbleiterscheibe und der Metallkühlkörper, welches durch Anwendung starker Versteifungsunterlagen, beispielsweise aus Molybdän, Wolfram, W-Ag-Legierung u. ä. gelöst wird; die Unterlagen bedeuten jedoch eine weitere, die schnelle Wärmeübertragung aus der Halbleiterscheibe verschlechternde Zusatzimpedanζ·

In letzter Zeit wurden Halbleiterbauelemente entwikkelt, in denen die Scheibe aus Halbleitermaterial mit den Anschlußelektroden oder den Kühlkörpern mittels einer Schicht aus flüssigem Metall, beispielsweise Quecksilber, der eutektischen Natrium-Kalium-Legierung NaK-77 u. ä. kontaktiert ist. Das Kühlen eines derart hergestellten Halbleiterbauelementes wurde beispielsweise durch forcierten Umlauf von flüssigem Metall vollführt. Diese Anordnung stellt keine Anforderungen an die bisher gebräuchlichen bedeutenden Anpreßkräfte, die Versteifungsunterlage der Halbleiterscheibe wird eliminiert, und es wird eine minimale Anzahl von Verbindungen und Hindernissen zwischen der Halbleiterscheibe und dem Kühlmittel erreicht. Nichtsdestoweniger ist jedoch die Konstruktion eines solchen Bauelementes relativ kompliziert und arbeitsaufwendig, sie verwendet eine grö-

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ßere Menge flüssigen Metalls, und überdies ist die Kühlart mit forcierter Zirkulation des flüssigen Metalls weniger wirksam als einige bekannte Kühlarten, beispielsweise die Wärmerohrtechnik (heat pipes).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement herzustellen, welches zwischen den Anschlußelektroden und der Kalbleiterscheibe einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand und zugleich zwischen der Wärmequelle in der Halbleiterscheibe und dem Kühlkörper einen minimalen thermischen Widerstand aufweist, wobei die Halbleiterscheibe mechanisch minimal beansprucht sein soll.

Gegenstand der Erfir.dung, wo~"-it diese Aufga? 3 gelöst wird, ist ein beiderseitig gekühltes Laistungsbalbleiterbauelement mit Kühlkörpern nach dem Prinzip der Wärnierohre, bei dem diese Wärmerohre durch ein thermisch oder elektrisch leitendes flüssiges Medium in thermischem und elektrischem Kontakt mit der Halbleiterscheibe sind, mit dem Kennzeichen, daß ein Isolierglied, beispielsweise aus Keramik, an seinen entgegengesetzten Flächen mit Ansätzen versehen ist, von denen mindestens einer ein Innengewinde aufweist, in das eines der beiden Wärmerohre eingeschraubt ist, deren Stirnteil auf einem Ring, beispielsweise aus Kautschuk, aufliegt, welcher auf den Umfang des Halbleitersystems bzw. der Halbleiterscheibe aufgesteckt ist, wobei auf der Innenfläche des Ansatzes ein auf dem anderen Wärmerohr hergestellter Versatz aufliegt. Die Wärmerohre sind an den in den Ansätzen befestigten Enden vorzugsweise durch einen elastischen Boden hermetisch abgeschlossen. Die gegenseitige Entfernung beider Wärmerohre ist vorteilhaft mit Hilfe eines Abstandringes aus Isoliermaterial definiert.

Die einzige Figur stellt ein Ausführungsbeispxel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes dar.

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Die Halbleiterscheibe 1 aus Silizium mit mindestens einem PN-Übergang ist mit ihrem Umfang in den Ring 5 aus Silikonkautschuk eingesteckt. Auf diesem Ring 5 sitzen die Stirnseiten der Wärmerohre 6, 6' aus Kupfer, welche einerseits die Kühlkörper des Bauelementes und andererseits die elektrischen Stromanschlüsse bilden. An den gegenüberliegenden Flächen des Isoliergliedes 2 aus Keramik sind, beispielsweise durch Löten, Metallansätze 10, 10' aus Kupfer, Tombak u. ä. angebracht. Der Metallansatz 10 ist mit einem Innengewinde 9 versehen, in welches das Wärmerohr 6 eingeschraubt wird. An der Innenfläche des Ansatzes 10' liegt der auf dem Wärmerohr 6¹ hergestellte Versatz 8 an.

Die gegenseitige Entfernung beider Wärmerohre 6, 6¹ ist mit Hilfe eines durch dan Versatz 8 der beidenWärmerohre 6, 6' abgestützten Abstandrings 7 aus Isolierstoff definiert. Die Wärmerohre 6, 6' sind an ihren in dan Ansätzen 10, 10' befestigten Enden durch elastische Böden 4, beispielsweise aus Tombak MS 80 hermetisch verschlossen. Der durch die Wand des Wärmerohres 6 bzw. 6', die elastischen Böden 4, den Kautschukring 5 und die Halbleiterscheibe 1 begrenzte Raum ist mit einem thermisch und elektrisch leitenden flüssigen Medium 3, beispielsweise Quecksilber, Natrium-Kalium-Legierung NaK-77, eventuell Natrium-Kalium-Cäsium-Legierung u. ä. gefüllt. Das beispielsweise im elastischen Boden 4 angebrachte Füllröhrchen (in der Figur nicht eingezeichnet) wird nach Anfüllen des oben erwähnten Raumes mit flüssigem Metall eingeklemmt.

Das sich in dem mit flüssigem Medium 3 zwischen Halbleiterscheibe 1 und Anschlußelektroden des Bauelementes, beispielsweise Rohren 6, 6¹, gefüllten Raum befindliche flüssige Metall stellt eine vollkommene Verbindung mit einem, im Prinzip durch den elektrischen Widerstand des ange-

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wendeten Materials gegebenen minimalen elektrischen Widerstand dar.

Durch Auswahl eines geeigneten flüssigen Metalls kann auch ein minimaler Wärmewiderstand zwischen der Wand der Halbleiterscheibe und dem Kühlkörper erzielt werden. Das flüssige Metall ist über die elastische oder nachgebende Wand aus thermisch gut leitendem Material kleiner Dicke mit dem Verdampfungsteil des Wärmerohres in Kontakt, wobei die oben erwähnte elastische oder nachgebende Wand direkt die Wand des Wärmerohres bildet. Als flüssiges Metall kann vorteilhaft die eutektische Natrium-Kalium-Legierung NaK-77 verwendet werden, die elektrisch und thermisch sehr gut leitend ist und eine kleine Dichte aufweist. Die genannte Legierung ist zwischen -12,5 ⁰C bis 100Ö ⁰C flüssig. Durch Beimengung von Cäsium kann die Erstarrungstemperatur noch weiter abgesenkt werden. Es kann auch Quecksilber angewendet werden; dieses Material weist jedoch eine größere Dichte auf.

Die Halbleiterscheibe wird im Vergleich mit den bei gebräuchlichen Konstruktionen angewendeten Anpreßkräften nur in geringem Maße mechanisch beansprucht. Während bei den bekannten Spannkonstruktionen bie einem Halbleiterscheibendurchmesser von 25 - 60 mm eine Anpreßkraft von 600 - 1500 kp (6-15 kN) angewendet werden mußte, muß bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement nur eine Anpreßkraft von 50 - 100 kp (0,5 - 1 kN) aufgebracht werden, wobei diese Kraft nur die Dichtheit des das flüssige Metall enthaltenden Ra-mes oder die Dichtheit des Kühlraumes sichert.

Das Halbleiterbauelement kann je nach der Struktur der Halbleiterscheibe bzw. der Anzahl der PN-Übergänge eine Diode, ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac sein.

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Claims

Patentansprüche

M.]Beiderseitig gekühltes Leistungshalbleiterbauelement mit Kühlkörpern nach dem Prinzip der Wärmerohre, bei dem diese Wärmerohre durch ein thermisch oder elektrisch leitendes flüssiges Medium in thermischem und elektrischem Kontakt mit der Halbleiterscheibe sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierglied (2), beispielsweise aus Keramik, an seinen entgegengesetzten Flächen mit Ansätzen (10, 10') versehen ist, von denen mindestens einer ein Innengewinde (9) aufweist, in das eines der beiden Wä::\~ierohre (6) eingeschraubt ist, deren Stirnteil auf einem Ring (5), beispielsweise aus Kautschuk, aufliegt, welcher auf den U~nfang des Halbleitersy£tems bzw. der Halbleitersc-eibe (1) aufgesteckt ist, wobei auf der Innenfläche des Ansatzes (10') ein auf dem anderer. Wärmerohr (6') hergestellter Versatz (8) aufliegt.
2. Leistungshalbleiterbaueleraent nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (6, 6¹) an den in den Ansätzen (10, 10') befestigten Enden hermetisch durch einen elastischen Boden (4) abgeschlossen sind.
3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Entfernung beider Wärmerohre (6, 6') mit Hilfe eines Abstandringes (7) aus Isoliermaterial definiert ist.

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