DE2555785A1 - Elektrisches bauteil mit betriebskuehlung - Google Patents

Elektrisches bauteil mit betriebskuehlung

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Description

DipL-lng. H. Sauerland Dr\-lng. R. Kcnig · Dipl.-Ing. K. Bergen
Patentanwälte · 4οαα Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7b · Telefon 435732
10. Dezember 1975 30 340 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Elektrisches Bauteil mit Betriebskühlung"
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil, das während seines Betriebs gekühlt werden muß. Beispielsweise erzeugt bei Halbleiterbauteilen wie Thyristoren oder gesteuerten Silizium-Gleichrichtern der im Durchlaßzustand durch das Bauteil hindurchfließende Strom relativ viel Wärme, die abgeführt werden muß, um ein Durchbrennen oder Zerstören des Bauteils zu verhindern.
Es sind verschiedene elektrische Bauteile bekannt, die während des Betriebs durch Kühlkammern gekühlt werden, welche direkt mit dem Bauteil verbunden und für den Durchfluß einer Kühlflüssigkeit ausgelegt sind. Ein derartiges Bauteil kann ein Halbleiter wie ein Thyristor oder gesteuerter Silizium-Gleichrichter sein, der durch zwei Kühlkammern gekühlt wird, von denen je eine an gegenüberliegenden Hauptflächen des den Halbleiterteil des Bauteils bildenden Scheibchens befestigt ist. Derartige Kühlkammern erlauben die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in Art einer Wärmepumpe oder eines Kühlmantels oder -rohrs im Zwangsumlauf. Ein Halbleiterbauteil dieser Art ist in der US-Patentschrift 3 739 beschrieben. Das Halbleiterscheibchen dieses bekannten Bauteils, an dem die Wärmekammern in Form von Wärme-
fu
pumpen oder -rohren befestigt sind, ist auf einer Hauptfläche mit einer leitenden Kathodenschicht und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche mit einer leitenden Anodenschicht versehen.
Die Kühlvorrichtung kann im wesentlichen aus einer hermetisch abgeschlossenen Metallkammer bestehen, die mit einem gewissen Bereich einer der beiden Hauptflächen des Halbleiters anliegt und mit dieser verbunden isto An einem der Anoden- oder Kathodenschicht abgewandten Teil der Metallkammer ist ein elektrischer Anschluß befestigt, der das Halbleiterbauteil mit dem äußeren Arbeit sStromkreis verbindet. Diese besondere Anordnung nutzt die Kühlkammer gleichzeitig als elektrische Leitung zur Anoden- bzw. Kathodenschicht auf den gegenüberliegenden Flächen des Scheibchens.
In Stromkreisen mit Thyristoren und Gleichrichtern der genannten Art können Ströme von 20 000 Ampdre oder mehr fließen. Häufig wird das Halbleiterbauteil durch eine in Serie geschaltete SpezialSicherung geschützt. Solche Sicherungen sind jedoch teuer und kosten oft genau so viel wie die Halbleiteranordnung selbst. Dies hat dann einige Hersteller die Frage nach der Wirtschaftlichkeit des Schutzes eines Halbleiterbauteils durch eine so teuere Sicherung stellen lassen. Aus diesem Grund sind viele Schaltungen ohne jeglichen Sieherungsschutz für den Stromkreis und das Gerät ausgelegt worden. Sobald der Thyristor oder Gleichrichter durch einen Schaden am Halbleiterplättchen ausfällt, führt der starke, durch das Bauteil fließende Strom zu einem Schmelzen des mit dem Plättchen verbundenen Metalls, so daß es zusammenschmilzt und kurzgeschlossen wird, was zu Kurzschlußströmen in der Schaltung oder Gerät führt. Ohne Sicherungsschutz für den Stromkreis
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kann die Anordnung zerstört und großer Schaden angerichtet werden«
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung zu schaffen, die in wirtschaftlich vertretbarer Weise die Herstellung abgesicherter Schaltungen bzw. Geräte der" eingangs genannten Art gestattet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe an einem elektrischen Bauteil mit einem mehrere Anschluß-Elektroden aufweisenden elektronischen Bauelement, mindestens einer das Bauelement kühlenden, mit ihrer Metallwand mit einer der Eiektrodaa verbundenen Kühlkammer und einem an der Metallwand im Abstand von der zugeordneten Elektrode befestigten elektrischen Anschluß dadurch gelöst, daß die Metallwand einen als Sollschmelzstelle dienenden Bereich geringerer Dicke besitzt, der den den Anschluß besitzenden Teil der Metallwand vollständig von der Elektrode trennt.
Die Dicke der Sollschmelzstelle ist ausreichend, um die
Stromstoßspitze und die I »t-Beträge zwischen der Elektrode und dem Anschluß während des normalen Betriebs des elektrischen Bauteils zu übertragen. Falls jedoch aus irgendeinem Grund die elektrische Einheit ausfällt und hochleitend wird, wird ein anomaler Stromfluß das Schmelzen der Sollschmelzstelle der Kühlkammer sowie das Trennen der Elektrode vom Anschluß bewirken.
Die Kühlkammer kann einer von zwei metallenen Hohlzylindern sein. Die Sollschmelzstelle kann aus einem ringförmigen Wandbereich bestehen, der sich um einen der Metallzylinder herum zwischen dem Anschluß und dem elektrischen Bauteil erstreckt. Der ringförmige Wandbereich kann sich kontinuierlich um den Zylinder
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herum erstrecken.» Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Sollschmelzstelle der Kühlkammer innerhalb einer geschlossenen Hülse angeordnet ist. .
Anhand der beigefügten Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung an einem Halbleiterthyristor, in Seitenansicht mit teilweiser Schnittdarstellung; und
Fig. 2 einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauteils in vergrößerter Schnittdarstellung.
Das Ausführungsbeispiel stellt einen Halbleiter-Thyristor dar, der mittels mit ihm verbundener Wärmeleitröhre gekühlt wirdo Das Halbleiterbauteil kann wie in der genannten US-Patentschrift 3 739 235 beschrieben ausgeführt sein. Das Bauteil besteht aus einem Siliziumscheibchen 10, das aus Schichten aus dotiertem Halbleitermaterial zur Bildung eines npnp-Thyristors aufgebaut ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, trägt das aus Schichten bestehende Scheibchen 10 auf einer Hauptfläche eine leitende Kathodenschicht 12 und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche eine leitende Anodenschicht 14. Das Scheibchen 10 hat eine im wesentlichen runde Form.
Auf derselben Hauptfläche des Halbleiter-Scheibchens und der Kathodenschicht 12 benachbart befindet sich eine ringförmige leitende Schicht 16, welche die Gate-Elektrode bildet. Ein Metall-Leiter 18 ist auf die Gate-Elektrode 16 hartaufgelötet.
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Mit den gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiter-Scherbchens 10 ist je eine vorzugsweise als Wärmeleitrohr 20 bzw. 22 ausgebildete Kühlkammer direkt verbunden. Die Wärmeleitrohre enthalten zwei hermetisch verschlossene Kupferzylinder 24 und 26. Die eine Stirnseite des Zylinders 24 ist durch eine hartaufgelötete runde Metallplatte 28 verschlossen. In der gleichen Weise ist die entsprechende Stirnseite des Zylinders 26 durch eine zweite Metallplatte 30 verschlossen. Die einander abgewandten Stirnseiten der Zylinder 24 und 26 sind durch metallene Platten 32 und 34 verschlossen. Die Platte 32 ist auf das Außenende des Zylinders 24 und die Platte 34 auf das Außenende des Zylinders 26 hartaufgelötet. Die Zylinder 24 und 26 sind mit den zugeordneten Elektrodenschichten 12 und 14 direkt leitend verbundene Ebenso sind alle angepaßten Oberflächenbereiche der entsprechenden Verschlußplatten 28 und 30 auf die entsprechenden Elektrodenschichten 12 bzw. 14 des Thyristors hart- oder weichaufgelötet, wodurch zwischen diesen Teilen ein guter elektrischer und thermischer Kontakt hergestellt ist.
Die Innenwände der beiden Wärmeleitrohre 20, 22 sind mit kapillaren, aus porösem Kupfer bestehenden Dochtauskleidungen (Liner) 36 und 38 versehen, welche mit den Innenwänden der geschlossenen Zylinder 24 bzw. 26 fest verbunden sind. Die Färmeleitrohre 20 und 22 sind mit einer Flüssigkeit, z.B. Wasser gefüllt.
Zur weiteren Kühlung der WärmeIeitrohre 20 und 22 sind an der Außenfläche der Zylinder 24 und 26 aus dünnen Metallrippen bestehende Kühlspiralen 48 bzw0 52 befestigt. Diese Kühlspiralen 48 und 52 vergrößern die
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Oberfläche der Außenflächen der Zylinder 24 und 26 für die Luftkühlung.
Der Zylinder 24 bildet eine elektrische Kathodenleitung von einem Außenstromkreis zu der Kathodenschicht 12, und der Zylinder 26 verbindet die Anodenzuleitung elektris ch direkt mit der Anodenschicht 14. Der Außenstromkreis ist mit den Zylindern 24 und 26 durch einen an der Endplatte 32 des Zylinders 24 befestigten Kathodengewindebolzen 44 und durch einen an der Endplatte 34 befestigten Anodengewindebolzen 46 verbunden·»
Des weiteren ist zum Schutz der freiliegenden Teile des Halbleiter-Scheibchens 10 eine zwischen den beiden Wärmeleitrohren sich erstreckende Hülse 53 vorgesehen» Diese Hülse 53 weist einen Keramikzylinder 54 auf, der koaxial um den Zylinder 26 herum angeordnet und an diesem durch einen Kovar(T.M.)-Flanschring 56 befestigt ist. Der Flanschring 56 ist mit seinem Außenumfang auf die eine Stirnseite der Keramikbüchse 54 und mit seinem Innenumfang auf die Außenwand des Zylinders 26 hartaufgelötet. Eine Lötbüchse 58, beispielsweise aus Kovar (T.M.), ist an der Keramikbüchse 54 befestigt mittels eines Ringes 60, der auf das eine Ende der Büchse 58 hartaufgelötet und an seinem Innenumfang mit der anderen Stirnseite der Keramikbüchse 54 verbunden ist. Das andere Ende der Büchse 58 ist mit der Außenfläche des Zylinders 24 durch einen Ring 62 verbunden, welcher mit seinem Außenumfang auf das andere Ende der Büchse 58 und mit seinem Innenumfang auf die Außenwand des Zylinders 24 hartaufgelötet ist. Der Leiter 18 zu der Gate-Elektrode 16* erstreckt sich durch eine Öffnung in dem Ring 62 und einem Keramik-Isolator 63 und ist gemäß Fig. 1 mit einer Anschlußklemme 64 verbunden. Die Zuleitung 18
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verbindet die Gate-Elektrode 16 mit dem äußeren Betriebsstromkreis. Die Ringe 56, 60 und 62 haben unregelmäßige Querschnittsform, wodurch spannungsfreie Verbindungen zwischen den Büchsen 54 und 58 und den Zylindern 24 und 26 geschaffen werden.
Die Zylinder 24 und 26 bilden die leitenden Verbindungen zwischen den Anschlußbolzen 44, 46 und den Metallplatten 28 bzw. 30, mit welchen die WärmeIeitröhre verbunden sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Metallwände der Zylinder 24 und 26 in ihrer Stärke reduzierte Wandabschnitte 70, 72, welche die mit den Anschlußbolzen 44, 46 verbundenen Teile der Zylinder vollständig von den mit den Wärmeleitrohren verbundenen Metallplatten 28, 30 trennen.
Bei Erreichen des vorbestimmten Maximalstroms, vor dem der Stromkreis geschützt werden soll, schmelzen die dünnen, eine ringförmige Querschnittsfläche aufweisenden Wandabschnitte 70, 72 sowie die Liner 36, 38. Falls das Halbleiter-Scheibchen 10 ausfällt und während des Betriebs vollständig leitend wird, fließt durch das Bauteil und den damit verbundenen Stromkreis ein sehr starker Strom. Falls dieser Kurzschlußstrom erheblich ist und größer als der Maximalstrom wird, der von den Wandabschnitten 70 und 72 und den entsprechenden Linern 36 und 38 übertragen werden kann, schmelzen die dünnen Wandabschnitte, und das Bauteil gelangt in einen "Öffnungszustand", d.h. der Schmelzvorgang spielt sich so ab, daß entweder einer der oder beide Wandabschnitte 70 und 72 schmelzen und einen ringförmigen Durchbruch bilden, wodurch der zugeordnete Zylinder vollständig vom Halbleiter-Scheibchen 10 getrennt wird. Die für die beiden dünnen Wandabschnitte 70 und 72 und für
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die Liner 36 und 38 erforderlichen Querschnitt FfJächou lassen sich anhand von Tabellen vorherbestimmen, vjolch.c die Quersclinittsi lachen angeben, bei denen für beri immte Kupferdrahtquerschnitte das Schmelzen eintritt. Wogen der Porosität der. Liner 36, 3Ö brauchen nur [0% der Querschnittsfläche des Dochts berücksichtigt yu werden.
Ein Halbleiter-Thyristor der beschriebenen und in dr.n Fig. 1 und 2 gezeigten Art wurde bis zum Stör ausfall des Halbleiter-Scheibchens 10 mit einem Strom von 60 Hz betrieben. Beim Ausfall betrug der gemessene Spitzenstrom 4345 Ampdre. Bin den Ausfall der Anordnung aufzeichnender Oszillograph zeigte an, daß der Gleichrichter 9,25 Perioden lang arbeitete und dann in einem Schließ- oder Kurzschlußzustand ausfiel. Nach weiteren 30,75 Perioden öffnete der Gleichrichter, wodurch ei" jeden weiteren Stromfluß verhinderte. Eine Untersuchung ergab, daß die dünner ausgeführten Wandabschnitte und die Liner der beiden Wärmereitrohre wie eine den Stromkreis öffnende Sicherung geschmolzen waren. Ohne die eine Sollschmelzstelle bildenden Wandbereiche - beispielsweise entsprechend den in Fig. 2 gezeigten Wandabschnitten 70 und 72 - wären die Fände der beiden Zylinder stark genug gewesen, um ohne zu schmelzen sogar größere Ströme als den gemessenen Strom von 4335 Ampere für mehr als 30,75 Perioden zu leiten, wodurch andere, mit dem Stromkreis verbundene Teile und Einrichtungen stark gefährdet worden wären, .
Die die Sicherung bildenden dünneren Wandabschnitte 70 und 72 sind ringförmig ausgebildet und erstrecken sich im wesentlichen koaxial zu der senkrecht zum Halb-
ORIGINAL INSPECTED
leiter-Scheibchen 10 durch deren Mittelpunkt verlaufenden Achse. Diese Achse fällt auch mit den Achsen der Zylinder 24 und 26 zusammen. In der Zeichnung sind die an den Enden der entsprechenden Zylinder angeordneten Wandabschnitte 70 und 72 mit ihren freien Enden direkt an den entsprechenden Schichten 12 und 14 befestigt= Es ist jedoch ersichtlich, daß Modifikationen der gezeigten Anordnung möglich, sind, wobei lediglich ein einziger dünnerer Wandabschnitt als Teil eines der Zylinder 24 und 26 notwendig zu sein braucht. Erfindungsgemäß ist es auch, möglich, einen oder beide Wandabschnitte 70 und 72 längs der Zylinder 24 und 26 an jeder beliebigen Stelle zwischen dem Halbleiter-Scheibchen 10 und dem entsprechenden Anschluß 44 oder 46 anzuordnen. Es ist dabei lediglich notwendig, daß der Leitungsweg zwischen den Anschlüssen 44 und 46 und den entsprechenden Schichten 12 und 14 durch dünnere Wandabschnitte vollständig unterbrochen wird, so daß der gesamte Stromfluß die erfindungsgemäßen Sollschmelzstellen passieren muß.
Ebenso fällt es in den Schutzbereich der Erfindung, dünnere Wandabschnitte auch bei solchen Kühlkammern vorzusehen, die anders als die in Fig. 1 und 2 gezeigten zylindrischen Wärmeleitrohre ausgebildet sind. Die Kammern können kugelförmig oder kubisch ausgebildet sein oder irgendeine andere Form aufweisen, welche das Kühlen der erwärmten Vorrichtung ebenfalls in hinreichender Weise ermöglicht. Diese anders gestalteten Kühlkammern würden ebenfalls dünnere Wandabschnitte besitzen, welche das abzukühlende Bauteil von den zugehörigen Endanschlüssen vollständig trennt.
Die beiden mit den Schichten 12 und 14 verbundenen Metallplatten 28 und 30 unterstützen die Stromübertragung von dem Halbleiter-Scheibchen 10 auf die leitenden Wände
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der Wärmerohre 20 und 22. Da diese Platten mit den Schichten 12 und 14 direkt elektrisch leitend verbunden sind, fließt der das Halbleiter-Scheibchen 10 durchsetzende Strom durch alle Teile der Metallplatten 28 und 30. Auf diese Weise bewirken die Metallplatten eine gleichmäßige Verteilung des Stromflusses zwischen den Schichten 12 und 14 und den leitenden Wänden der Zylinder 24 und 26. Diese Anordnung verhindert, daß sich zwischen dem Halbleiter-Scheibchen und den Zylinderwänden der WärmeIeitröhre heiße Stellen oder Widerstandsstrecken bilden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden die Wandabschnitte 70 und 72 von der Hülse 53 umschlossen. Dies hat vor allem zwei Vorteile: Wenn das Halbleiterscheibchen 10 ausfällt und ein starker Stromstoß die dünnen Wandabschnitte zum-Schmelzen bringt, verhindert die Hülse 53, daß von den Wänden der Zylinder 24 und 26 sprühendes Metall mit anderen Teilen des Gerätes und des Stromkreises in Berührung kommt. Wenn einer oder beide Wandabschnitte 70 und 72 schmilzen und dabei eine vollständige Öffnung in einer oder beiden Wänden der Wärme Ie itr öhre hervorrufen, hält die fest mit den Zylindern 24 und 26 verbundene Hülse 53 darüber hinaus diese Zylinder in gegenseitigem Abstand, so daß die Zylinderwände nicht wieder in Berührung kommen und einen Kurzschlußstrom hervorrufen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden aus Kupfer bestehende Zylinder 24 und 26 verwendet, welche durch maschinelle Bearbeitung die gewünschte Wandstürke von ungefähr 0,038 cm erhalten. Molybdän-Platten 28 und 30 sind auf die einander zugewandten Stirnseiten der Zylinder 24 und 26 mittels einer
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Gold-Nickel-Legierung hartaufgelötet. Die Innenflächen sowohl der Zylinder 24 und 26 als auch der Platten 28 und 30 sind vernickelt. Die Außenflächen der Platten 28 und 30 sind grundiert, um einwandfrei ebene Oberflächen für einen sauberen und passenden Anschluß an die ebenfalls ebenen Oberflächen des Halbleiter-Scheibchens 10 zu erhalten. Das Halbleiter-Scheibchen 10 kann in der aus der US-Patentschrift 3 739 235 bekannten Weise mit den gegenüberliegenden, auf die Stirnseiten der entsprechenden Zylinder 24 und 26 hartaufgelöteten Schichten 12 bzw. 14 ausgebildet sein.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind speziell auf ein Halbleiter-Scheibchen 10 und auf zwei Kühlkammern in Form von Wärmeleitrohren abgestellt. Die Erfindung kann jedoch ebensogut an anderen elektrischen Bauteilen, die einer Kühlung bedürfen, beispielsweise an Bauteilen gemäß dem US-Patent 3 605 074, verwirklicht werden. Darüber hinaus können die mit dem Halbleiter-Scheibchen 10 gegenüberliegend verbundenen Kühlkammern zur Aufnahme einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit benutzt werden, welche von einem außerhalb liegenden Behälter durch Zuführöffnungen in die abgedichteten Zylinder 24 und 26 gepumpt und durch Austrittsöffnungen abgeführt wird. Falls einer oder beide Wandabschnitte 70 und 72 schmelzen oder ausbrennen, würde die Kühlflüssigkeit in der Hülse 53 gehalten werden. Die Kühlflüssigkeit sollte elektrisch nichtleitend sein, damit sie die geschmolzenen Wände der Zylinder nicht kurzschließen kann. Als Kühlflüssigkeit kann reines oder destilliertes Wasser benutzt werden. In einem derartigen, druckbeaufschlagten Kühlsystem würden Liner 36 und 38 nicht benutzt werden.
ν ι η

Claims (6)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
    New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche:
    'Elektrisches Bauteil mit einem mehrere Anschluß-Elektroden aufweisenden elektronischen Bauelement, mindestens einer das Bauelement kühlenden, mit ihrer Metallwand mit einer der Elektroden verbundenen Kühlkammer und einem an der Metallwand im Abstand von der zugeordneten Elektrode befestigten elektrischen Anschluß, dad u r c h gekennzeichnet , daß die Metallwand (24) einen als Sollschmelzstelle dienenden Bereich (70) geringerer Dicke besitzt, der den den Anschluß besitzenden Teil der Metallwand vollständig von der Elektrode (12) trennt.
  2. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Bereich (70) geringerer Dicke der Metallwand (24) und der Elektrode (12) ein dickerer Wandabschnitt der Kühlkammer (20) befindet.
  3. 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandbereich (70) geringerer Dicke von einer Hülse (53) umschlossen ist.
  4. 4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das elektronische Bauelement ein Halbleiterscheibchen (10) mit mindestens einer Hauptfläche aufweist, und daß die eine Elektrode (12) als eine leitende, mit der
    Hauptfläche verbundene Schicht ausgebildet ist, wobei die Metallwand (24) der Kühlkammer (20) mit der Elektrodenschicht leitend verbunden ist.
  5. 5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (12) eine von zwei Elektrodenschichten (12 bzw. 14) ist, die mit verschiedenen, gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiter-Scheibchens (10) verbunden sind, und daß die Kühlkammer (20) eines von zwei Wärmeleitrohren (20, 22) ist, von denen jedes jeweils mit einer der Elektrodenschichten verbunden ist, wobei der Bereich (70) geringerer Wanddicke als zylindrischer Wandteil eines Wärmeleitrohrs ausgebildet ist0
  6. 6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zylindrische Wandteil das offene Ende des Wärmeleitrohrs (20) bildet und direkt mit der zugeordneten Elektrodenschicht (12) verbunden ist.
    7ο Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptflächen des Halbleiter-Scheibchens (10) plangearbeitet sind, und daß die Wärmeleitrohre (20) jeweils eine mit ihnen und der jeweils zugeordneten Elektrodenschicht (12) verbundene plangearbeitete Metallplatte (28) aufweisen«
    60°· 82 ο/0710
    Leerseite
DE19752555785 1974-12-20 1975-12-11 Elektrisches bauteil mit betriebskuehlung Withdrawn DE2555785A1 (de)

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