DE2556749A1 - Leistungshalbleiterbauelement in scheibenzellenbauweise - Google Patents

Leistungshalbleiterbauelement in scheibenzellenbauweise

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DE2556749A1 DE19752556749 DE2556749A DE2556749A1 DE 2556749 A1 DE2556749 A1 DE 2556749A1 DE 19752556749 DE19752556749 DE 19752556749 DE 2556749 A DE2556749 A DE 2556749A DE 2556749 A1 DE2556749 A1 DE 2556749A1
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Description

BROWN, BOVERl & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT fe
MANNHEIM BHOWN BOVERI
• 3-
Mp.-Nr. 709/75 Mannheim, 16. Dezember 1975
ZFE/P3-Pp./Ha.
" Leistungshalb leiterbauelement in Scheibenzellenbauweise" \
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit Isoliergehäuse und elektrischer und thermischer Druckkontaktierung des aus mindestens zwei Zonen verschiedenen Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper, welcher unter Zwischenlage von Öruckkörpern, WärmeIeitpasten und Elektroden, insbesondere napfformigen, mit ihren offenen Seiten von den Hauptoberflächen des Haibleiterkörpers abge- i wandten Elektroden, und unter im wesentlichen zweifach symmetrischer Anordnung zur Mittelebene des Haibleiterkörpers und der dazu senkrechten Mittelachse zwischen zwei als Kühlkörper dienende Anschlußelektroden eingespannt ist. Derartige Leistungshalbleiterbauelemente finden Anwendung in der Leistungs-Elektronik. . !
Unter den Begriffen "Scheibenzellenbauweise" bzw."Scheibenzelle" wird im vorliegenden Zusammenhang ein scheibenförmiger, bereits in' einem Isoliergehäuse unter Zwischenlage von Elektroden und ggf. Ableitplatten eingeschlossener Halbleiterkörper verstanden. Derartige Leistungshalbleiterbauelemente sind allgemein bekannt (z.B. aus der VDI-Zeitschrift 107 (1965), Nr. 34 \ - Dezember, S. 1656; DT-PS 2 039 806). Aus der erstgenannten Literaturstelle ist weiterhin bekannt, die Scheibenzelle zwischen
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- r-
im Querschnitt pilzförmige Kühlkörper einzuspannen und abhängig von der gewünschten Stronbelastbarkeit mit Luftselbstkühlung, mit forcierter Luftkühlung oder mit Flüssigkeitskühlung zu versehen.
Aus der DT-PS 2 o39 806 ist es bekannt, duktile napfförmige Elektroden aus Silber zu verwenden. Die napfförmigen Elektroden sind mit ihren offenen Seiten von den Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers angewandt. Dadurch und durch Abstimmung der Durchmesserverhältnisse und Materialdicken wird eine gleichmäßige,-Druckverteilung bzw. -symmetrierung bezüglich der Mittelachse des Halbleiterbauelementes erreicht.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die eingangs genannte "im wesentlichen zweifach symmetrische Anordnung" so zu verstehen ist, daß, z.B. für einen Leistungs-Thyristor, ein Steueranschluß vorzusehen wäre, der ggf. die Gehäusesymmetrie stärker, jedoch die Drucksymmetrie, nur geringfügig beeinträchtigt. Derartige Scheibenzellen sind auch mit zentralem Steueranschluß (Zentral-Gate) bekannt (DT-OS 2 246 423).
Die Kühlung von Halbleiterbauelementen ist im weiteren im "Silizium-Stromrichter-Handbuch" der BBC Aktiengesellschaft Brown Boveri & Cie, Baden (Schweiz) von 1971 beschrieben. In Fig.l ist ein bekannter Aufbau einer Leistungsdiode in Scheibenbauform gezeigt. Dabei shd mit 1 der Halbleiterkörper aus Silizium, mit 2 die beispielsweise aus Silber bestehenden Elektroden, mit 3 die beispielsweise aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Ableitplatten und mit 4 die beispielsweise aus Kupfer bestehenden Anschlußelektroden bzw. Kühlkörper bezeichnet. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt (DT-OS 1 944 181), zwischen den Teilen 1 bis 4 keine stoffschlüssige Verbindung vorzusehen, sondern den Kontakt für den Stromdurchgang und dfe Wärmeab- \ leitung durch Druck von außen auf das Bauelement, z.B.. durch ' Einspannen in zwei besondere Kühlkörper herzustellen. Die Anschlußelektroden kennen selbst Kühlkörper oder Teil eines
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■s- ;
Kühlkörpers sein oder wiederum mit Kühlkörpern druckkontaktiert sein. Soweit das Bauelement in Fig. 1 dargestellt ist, weist es nach jeder Seite drei Wärmeübergangswiderstände auf, die mit R^T" - R^f- bezeichnet sind. Sie entstehen jeweils am übergang von einem Material auf das andere. Sie sind druck-,oberflächen- und materialabhängig.Die elektrische Leistung des Bauelementes hängt wesentlich von ihrer Größe ab. Es ist bekannt (DT-PS 2220682}diese Wärmewiderstände zu verkleinern, irv-dem man Wärmeleitpasten oder Fette zwischen die Druckkontaktmaterialien bringt. Dadurch wird jedoch die elektrische Leitfähigkeit stark vermindert. Eine Verbesserung kann man diesbezüglich erreichen, wenn man Metallstaub in die Wärmeleitpasten oder Fette einmengt. Die elektrische Leitfähigkeit wird dadurch verbessert. Bei längerem Betrieb solcher Kalbleiterbauelemente zersetzen sich jedoch die Wärmeleitpasten oder Fette durch den Stromdurchgang und es kommt zu einem Anstieg des Wärmewiderständes.
Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Leistungshalbleiterbauelement (DT-PS 2 039 80^fduWcW^orWmangdurfd Gestaltung der genannten Teile des Bauelementes eine gute Wärmeleitfähigkeit bei guter elektrischer Leitfähigkeit zu erreichen.
Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß - auf die Mittelebene des Halbleiterkörpers bezogen -, jeweils an mindestens einer Druckkontaktverbindung die Abführung der Verlustwärme von der Stromführung getrennt ist.
Es ist zwar im Zusammenhang der Druckkontaktierung bekannt, sowohl Federsysteme zu verwenden, die gleichzeitig zur elektrischen und thermischen Verbindung dienen (GB-PS 777 985),
- 4
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als auch ein Federsystem (Sattelfeder) , das nicht an der Stromführung beteiligt ist (Dt-AS 1 248 813); aber in den genannten Fällen handelt es sich nicht um Scheibenzellen entsprechend der vorgenannten VDI-Zeitschrift bzw. der DT-PS 2 o39 806.
Vorteilhaft wird beim Gegenstand vorliegender Erfindung die Entkopplung von Wärme- und Stromführung mit einer derartigen Anordnung erreicht, daß jeweils die Elektrode thermisch und elektrisch mit dem Halbleiterkörper und thermisch mit dem Druckkörper druckkontaktiert ist, daß der Druckkörper thermisch mit der Anschlußelektrode druckkontaktiert ist und daß die Elektrode
- getrennt vom Haupt-Wärmefluß - elektrisch mit der Anschlußelektrode verbunden ist. Selbstverständlich stellt der Stromweg einen Nebenweg für den Wärmefluß dar, jedoch ist dieser Wärmefluß gegenüber dem bewußt über die großen Übergangsflächen geführten Wärmefluß vernachlässigbar.
■ ι
Vorzugsweise wird von einem Halbleiterbauelement mit ηapfformieren Elektroden ausgegangen, wobei erfindungsgemäß der vom Halbleiterkörper abgewandte Rand der Elektrode mit einem elektrisch leit- ) fähigen Ringteil galvanisch verbunden ist, der seinerseits galvanisch mit der Anschlußelektrode verbunden ist. Zweckmäßig erstreckt sich der sich an den am Halbleiterkörper anliegenden Rondenteil der Elektrode anschließende hochgezogene Randteil unter Erweiterung des Durchmessers stufenförmig teilweise parallel zur Mittelebene und teilweise koaxial zur Mittel- \ achse des Halbleiterkörpers oder kegelförmig zur Verbindungsstelle mit dem Ringteil. Letzterer ist zwec kmäßig ebenfalls napfförmig mit teilweise offenem, die Anschlußelektrode umfassendem oder untergreif endein resp. übergreifendem Boden gestaltet. Die Anschlußelektrode kann auch scheibenförmig ausgeführt sein. Die Verbindung zum einen Randteil kann auch über Lappen am Aussendurchmesser der Anschlußelektrode erfolgen.
Die Erfiidnuncj wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfühfungsbeispieles näher erläutert .
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Es zeigen: ,
Fig. 1 eine Explosionszeichnung einer bekannten Scheibendiode und
Fig. 2 ein Schnittbild durch ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiterbauelement in Scheibenzelbnbauweise.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 sind die gleichen Bezeichnungen wie in Fig.l verwendet. Weiterhin ist in Fig.2 lediglich beispielsweiseein Halbleiterkörper 1 mit nur einem pn-übergang ge- \ zeigt (strichliniert dargestellt); ebenso wie am Beispiel einer Leistungsdiode läßt sich der Erfindungsgedanke natürlich an einem Leistungs-Thyristor realisieren. Jeweils zwischen der Druckplatte 3, beispielsweise Molybdän-Scheibe,, und der beispielsweise aus Silber bestehenden napfförmigen Elektrode 2 einerseits und der beispielsweise aus Kupfer bestehenden Anschlußelektrode 4 andererseits befinden sich Wärmeleitschichten 5, wie z.B. Wärmeleitpasten auf Siliconbasis. Mit 6 ist die Stromzuführungselektrode an den Halbleiterkörper aus Silizium bezeichnet. Sie besteht an der Berührungsfläche mit dem Halbleiterkörper 1 aus der Elektrode 2 mit einem hochgezogenen Außenrand 2·r der selbst stufenförmig oder kegelförmig unter Erweiterung des Durchmessers fortgeführt und an beliebiger Stelle mit einem napfförmigen Ringteil 7, vorzugsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung (bekannt unter den Bezeichnungen "Vacon" bzw. Vacodil" - Warenzeichen-Nr. 4ol93 bzw. Warenzeichen-Nr. 668358 der Fa. Vacuum-Schmelze, Hanau) - oder aus Kupfer oder aus Eisen verlötet sein kann. In seinem oberen Bereichist der napfförmige Ringteil mit dem Außentöil der Anschlußelektrode 4 aus Kupfer leitend verbunden. Die Anschlußelektroden 4 können ihrerseits mit Kühlkörpern verbunden bzw. in dieselben eingespannt sein (nicht dargestellt) - Wegen der Mehrteiligkeit der "Stromanschlüsse" bzw. der "Elektroden" können hier die Begriffe gemäß DIN 41853 bis DIN 41855 nicht exakt verwendet werden - .
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Der Wärmefluß beidseitig des Halbleiterkörpers 1 ist mit durchgezogenen Linien und Pfeilen dargestellt, der Stromfluß strichliniert. Es ist ersichtlich, daß an den Druckkontaktverbindungen zwischen 2 und 3 und zwischen .3 und 4 mit den Wärmeübergangswiderständen Rj^ und Rjv ausschließlich Verlustwärme übertragen wird. Das Leistungshalbleiterbauelement besitzt ein an sich bekanntes scheibenförmiges Isoliergehäuse Io mit Keramikisolierung.
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Claims (5)

  1. 2556743
    Patentansprüche
    \ 1.· Leistungshalbleiterbaueleinent in Scheibenzellenbauweise mit Isoliergehäuse und elektrischer und thermischer Druckkontaktierung des aus mindestens zwei Zonen verschiedenen Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper, ; welcher unter Zwischenlage von Druck-körpern, Wärmeleit- -" J schichten Elektroden, insbesondere napfförmigen, mit j ihren offenen Seiten von den Hauptoberflächen des HaIb-ί leiterkörpers abgewandten Elektroden, und unter im wesentj liehen zweifach symmetrischer Anordnung zur Mittelebene des Halbleiterkörpers und der dazu senkrechten Mittelachse zwischen zwei als Kühlkörper dienende Anschlußelektroden eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ·* auf die Mittelebene bezogen - jeweils an mindestens einer Druckkontaktverbindung (2-3, 3-4) die Abführung der Verlustwärme von der Stromführung getrennt ist.
  2. 2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Elektrode (2) thermisch und elektrisch mit dem Halbleiterkörper (1) und thermisch mit dem Druckkörper (3) druckkontaktiert ist, daß der
    Druckkörper (3) thermisch mit der Anschlußelektrode (4) druckkontaktiert ist, und daß die Elektrode (2) - getrennt vom Wärmefluß - elektrisch mit der Anschlußelektrode (4) verbunden ist.
  3. 3. Leistungshalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2 mit napfförmigen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Halbleiterkörper (1) abgewandte Rand (21) der
    j Elektrode (2) mit einem elektrisch leitfähigen Ringteil (7) galvanisch verbunden ist, der seinerseits galvanisch mit
    • oder die vom Halbleiterkörper (1) abgewandten Lappen
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    2FE/? 4 F 1 (6-55000.KE)
    der Anschlußelektrode (4) verbunden ist.
  4. 4. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sich an den am Halbleiterkörper (1) anliegenden Rondenteil der Elektrode (^) anschließende Randteil (21) sich unter Erweiterung seines Durchmessers stufenförmig teilweise parallel zur Mittelebene und teilweise koaxial zur Mittelachse des Halbleiterkörpers (1) oder kegelförmig zur Verbindungsstelle (71) mit dem Ringteil (7) erstreckt und daß letzterer ebenfalls napfförmig mit teilweise offenem, die Anschlußelektrode (4) einfassendem und untergreifendem Boden gestaltet ist.
  5. 5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Ringteil (7) durch einen Napf ersetzt ist, der anstelle der Anschlußelektrode (4) auf der Druckplatte (3) aufliegt. ■
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    ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)
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