DE2731211A1 - Halbleiterbaueinheit - Google Patents

Description

• H a l b l e i t e r b a u e i n h e i t
• Die Erfindung betrifft eine Hälbleiterbaueinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Es wurde eine Halbleiterbaueinheit vorgeschlagen, bei der gemäß der Darstellung in Figur 1 auf einer gemeinsamen metallischen Grundplatte 1 zwei Halbleiterbauelemente elektrisch isoliert und thermisch leitend in elektrischer Reihenschaltung fest angebracht sind. Die Halbleiterbauelemente bestehen jeweils aus einer Halbleitertablette 4, die z.B.
• aus einer Halbleiterscheibe und einer an jeder Seite derselben befestigten Kontaktscheibe gebildet ist, sowie aus einem auf einer Seite befestigten oberen Stromleiter 51 bzw. 52 und sind so angeordnet, daß je ein dem Eingang und dem Ausgang der Reihenschaltung zugeordneter Stromleitungsanschluß (71,9) sowie ein dritter, dem Verbindungsleiter zwischen den Halbleiterbauelementen zugeordneter Stromleitungsanschluß 72 in einer Reihe liegen. Dabei ist der dritte Stromleitungsanschluß am Ende der Reihe angebracht. Jeder der beiden äußeren Stromleitungsanschlüsse 71 und 72 ist zusammen mit dem zugeordneten Halbleiterbauelement jeweils auf einem gemeinsamen Kontaktbauteil 31 bzw. 32 fest aufgebracht und mit diesem über eine Isolierstoffscheibe 2 auf der Grundplatte 1 befestigt. Ein derartiger Aufbau ist in einem aus der Grundplatte 1 und aus einem Kunststoffteil 12 bestehenden Gehäuse untergebracht und in Isolierstoffmasse 22 eingebettet.
• Beim Einsatz einer solchen Baueinheit hat sich gezeigt, daß der mittlere Stromanschlußleiter 9 unerwünscht hohe Betriebstemperaturen erreichen kann, so daß nicht in allen Fällen eine optimale Strombelastbarkeit der Anordnung gewährleistet ist.
• Der Erfindung liegt daher die AuFgabe zugrunde, die vorgeschlagene Baueinheit so auszubilden, daß unter Einhaltung einer kompakten Bauweise die thermische Belastbarkeit wesentlich verbessert wird.
• Die Lösung dieser AuFgabe besteht bei einer Halbleiterbaueinheit der vorbeschriebenen Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
• Weitere Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 11 aufgeführt.
• Anhand der in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung auFgezeigt und erläutert. Figur 2 zeigt in perspektivischer Sicht all einem Schnitt längs der Linie I - 1 durch den Aufbau gemäß Figur 1 die erfindungsgemäße Anordnung des Kühlbauteils zusammen mit dem IsotierstofFteil und mit dem Kontaktbügel zur Verbindung der Stromleiterteile, wobei mehrere Ausbildungsformen des Kühlbouteils dargestellt sind. In Figur 3 ist in vereinfachter Seitenansicht in Pfeilrichtung gemäß Figur 1 das gleichzeitig als Kontoktbüyel ausgebildete Kühlbouteil mit U-Profil in der Zuordnung zu den Stromleiterteilen dargestellt, Figur 4 zeigt ebenfalls in Seitenansicht einen Aufbau mit bis zur Grundplatte verlauferoden Schenkeln des Kühlbauteils, und in Figur 5 ist in Draufsicht uuf die Baueinheit ohne Isolierstoffeil die gegenseitige räumliche Zuordnung der Bauteile bei anderer Formgebung derselben dargestellt. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
• Bei dem in Figur 2 perspektivisch und der Übersichtlichkeit wegen ohne Gehäuseteile dargestellten Aufbau gemäß Figur 1 ist zwischen dem Isolierstoffteil 8, welches als Ansciilußleiste dient und 1>lattenförmig ausyebildet ist, und zwischen dem ebenfalls plattenförmigen Kontaktbügel 10 ein Kühlbouteil 6 angeordnet. Das ebenfalls plattenförmig ausgebildete Kühlbautcil 6 weist ebenso wie die Bauteile 8 und 10 an geeigneter Stelle eine Öffnung auf zum Durchtritt des oberen Stromleiters 52 des Halbleiterbauelements 4 und ist mit dem Kontaktbüget 10 beispielsweise durch Löten oder durch Klemmen Flächenhaft fest verbunden. Es ragt vorzugsweise über das Isolierstoffteil 8 hinaus, und seine Breite kann beispielweise der Länge des Kontaktbügels 10 entsprechen und ist nur durch den Abstand zwischen benachbarten AnschlulLeilen auf dem Isolierstoffteil 8 bestimmt. Zur bestmöglichen Wärmeableitung ladet das Kühlbauteil 6 bis zu einem fertigungstechnisch geringstmöglichen Abstand gegenüber dem Gehäuseteil 12 aus. Das Kühlbauteil 6 ist beispielsweise aus Kupfer hergestellt, seine Dicke ist beliebig und kann im Bereich des Kontaktbügels 10 größer sein als in den anschließenden Abschnitten, und es kann auch mit dem oberen Stromleiter 52 z.B. wie der Kontaktbügel 10 fest verbunden sein.
• Wie in Figur 2 weiter dargestellt, kant das Kühlbauteil 6 auch als Winkelprofil ausgebildet sein, wobei der Schenkel 6a auf dem Isolierstoffteil 8 aufliegt und mit dem Kontaktbügel 10 verbunden ist und der Schenkel 6b beispielsweise im rechten Winkel sich in Richtung der Grundplatte 1 erstreckt. Weiter kann das Kühlbauteil aus zwei Teilen mit winkelprofilförmiger Ausbildung bestehen, wobei die beiden Schenkel 6a zwischen dem Isolierstoffteil 8 und dem Kontaktbügel 10 im Stapel angeordnet sind, und die beiden Schenkel 6b jeweils an einer Längsseite der Halbleiterbaueinheit zur Grundplatte 1 gerichtet sind. Die Ausbildung des Kühlbauteils 6 als Winkelprofil ist mit gestrichelten Linien dargestellt.
• Eine weitere Verbesserung der Wärmeableitung kann, wie in Figur 2 ebenfalls gezeigt ist, dadurch erzielt werden, daß das Kühlbauteil im Anschluß an den Schenkel 6b und in derselben Ebene mit diesem drei an anschlicßcnd einen weiteren Abschnitt 6c aufweist, so daß eine aus diesen beiden Abschnitten 6b und 6c gebildete Kühlfläcl1e besteht.
• Die Ausdehnung dieser Kiihlflächen ist lediglich durch die Forderung nach ausreichenden Isolationsabständen gegenüber anderen Bauteilen der Halbleiterbaueinheit bestimmt.
• Eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung besteht gemäß der Darstellung in Figur 3 darin, daß das Kühlbauteil gleichzeitig als Verbindungsglied zwischen dem oberen Stromleiter 52 und dem Stromleitungsanschluß 9 dient, wodurch der Kontaktbügel 10 entfällt. Das Kühlbauteil 16 besteht zu diesem Zweck aus einem mittleren Abschnitt 16a, der dem Kontaktbügel 10 entspricht, sowie aus je einem an jeder Längsseite des Abschnitts 16a anschließenden Winkelteil 16b. Der Mittelabschnitt 16a weist eine angepaßte Öffnung zur Durchführung und Befestigung des oberen Stromleiters 52 auf. Die Dicke des Mittelabschnitts 16a kann größer sein als diejenige der Winkelabschnitte 16b. Der Stromleitungsanschluß 9 ist durch Löten, Klemmen oder Verschrauben mit dem Mittelabschnitt 16 des Kühlbauteils fest verbunden.
• Figur 4 zeigt eine überraschend einfache und besonders vorteilhafte Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung zur Optimierung der Ableitung von Verlustwärme über den oberen Stromleiter 52. Die Darstellung ergibt sich aus einem Schnitt durch die Halbleiterbaueinheit gemäß Figur 1 längs den Linien I-I und einer Ansicht auf diesen Schnitt in Pfeilrichtung. Das Kühlbauteil 16 dient gleichzeitig wieder als Verbindungsglied zwischen dem oberen Stromleiter 52 und dem Stromleitungsanschluß 9. Die Ausladung des Mittelabschnitts 16a wird durch die Flächenausdehnung des Kontaktbauteils 32 bestimmt. Die beiden Schenkel 16b des Kühlbauteils 16 erstrecken sich bis zu der auf der Grundplatte 1 in entsprechender Flöchenausdehnung angeordneten Isolierstoffscheibe 2 und sind an ihrer der Isolierstoffscheibe zugewandten Stirnfläche mit entsprechend bemessenen, beispielsweise streifenförmigen Metallisierungen 21 auf der Isolierstoffscheibe durch Löten fest verbunden. Dadurch wird erreicht, daß die Verlustwärme über den oberen Stromleiter 52 nicht nur über die Flächen des Kühlbauteils 16 an die umgebende Einbettungsmasse abgegeben sondern zu der gekühlten Grundplatte 1 abgeleitet wird. Mit einem solchen Aufbau wurde eine Erhöhung der Strombelastbarkeit um 20% erzielt.
• Schließlich ist in Figur 5 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer Halbleiterbaueinheit gemäß der Erfindung dargestellt. Das als Anschlußleiste dienende Isolierstoffteil 8 ist der Öbersichtlichkeit wegen nicht gezeichnet. Auf einer wannenförmig ausgebildeten, metallischen Grundplatte 1 sind in gegenseitigem Abstand zwei Isolierstoffscheiben 2 fest aufgebracht. Jede Isolierstoffscheibe ist mithilfe von Metallisierungen einerseits mit der Grundplatte und andererseits mit einem Kontdktbauteil 31 bzw. 32 fest verbunden. Auf der freien Oberseite des großflöchig auf jeder Isolierstoffscheibe befestigten Abschnitts des Kontaktbauteils 31 bzw. 32 ist ein Halbleiterbauelement 4 ebenfalls durch Löten fest aufgebracht. Das Halbleiterbauelement kann auch durch Druck, z.B. mittels Federkraft, mit dem Kontaktbauteil fest verbunden sein. Zur Herstellung der elektrischen Reihenschaltung der beiden Halbleiterbauelemente ist das Kontaktbauteil 32 über Kontaktbolzen 321 und eine an diesen Kontaktbolzen befestigte Kontaktlasche 330 mit dein oberen Stromleiter 51 des auf dem Kontaktbauteil 31 befestigten Halbleiterbauelements verbunden. Die Teile 321, 330 und 51 bilden somit cic rückt zwischen den beiden Kontaktboutcilen 31 und 32. In eine ausreichenden Isolationsabstand über der Kantaktlasche 330 ist das U-Profil aufweisende Kühlbauteil 16 so angeordnet, daß die Längs achse des Mittelabschnittes 16a mit der Querachse der Halbleiterbaueinheit übereinstimmt. Auf dem Mittelabschnitt 16a ist in entsprechen der räumlicher Zuordnung zu den Stromleitungsanschlüssen 71 und 72 der Stromleitungsanschluß 9 befestigt. Mit einem achsengleich mit der Längsachse der Halbleiterbaueinheit verlaufenden, stegförmigen Ansatz 16c bildet das Kühlbouteil gleichzeitig eine Verbindung zwischen dem oberen Stromleiter 52 und dem Stromleitungsanschluß 9. Die beiden Schenkel 16b des Kühlbauteils 16 sind so ausgebildet, daß sie jeweils mit den beiden eine Gerade bildenden Metallisierungen 21 der beiden Isolierstoffscheiben 2 fest verbunden sind. Das in Draufsicht die Form eines Doppel-T aufweisende Kühlbauteil kann auch in der Weise ausgebildet sein, daß die Breite des Mittelabschnittes 16a gleich derjenigen der beiden Schenkel 16b ist, und daß die Ausdehnung des Mittelabschnitts so gewählt ist, daß gleichzeitig auch ohne zusätzlichen Ansatz 16c eine Verbindung zwischen Stromleiter 52 und Stromleitungsanschluß 9 gegeben ist.
• Zur Verbesserung des thermischen Betriebsverhaltens kann das Kühlbauteil an seinen dem Gehäuseoberteil zugewandten Flächen mit beispielsweise rippenförmigen Ansätzen zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen sein.
• Das Kühlbauteil 6 bzw. 16 ist durch Gießen oder Pressen oder aber durch Stanzen hergestellt.
• Bei der Herstellung einer Halbleiterbaueinheit nach der Erfindung wird im Anschluß an die Anordnung der Halbleiterbauelemente 4 auf dem jeweiligen Kontaktbauteil (31, 32) das sich auf je einem Abschnitt jedes Kontaktbauteils abstützende Isolierstoffteil 8 aufgebracht.
• Dann werden - bei Bauformen nach Figur 2 - das Kühlbouteil 6 auf den über das Isolierstoffteil 8 hinausragenden Stromleiter 52 und anschließend der den Stromleitungsanschluß 9 tragende Kontaktbügel aufgesteckt und die in dieser Weise zusammengefügten Teile fest miteinander verbunden.
• Entfällt bei Bauformen nach Figur 4 der Kontaktbügel 10, so wird das den Strontleitungsanschluß tragende Kühlbouteil 16 mit dem Stromleiter 52 sowie mit den Isolierstoffscheiben 2 verbunden.
• Bei Bauformen nach Figur 5 wird das Isolierstoffteil 8 im Anschluß an die Fertigstellung des aus Kontaktbauteilen 31, 32, Halbleiterbauelementen 4, Kontaktlasche 330 und Kühlbauteil 16 bestehenden Aufbaus angebracht, wobei sich durch eine entsprechende Öffnung desselben der Stromleitungsanschluß 9 erstreckt.
• )ie Halbleiterboueinheit nach der Erfindung zeigt den Vorteil einer optimalen Ableitung der in den Halbleiterbauelementen beim Einsatz entstehenden Verlustwärme jeweils an beiden Stromleitungsanschlüssen, wobei der Wärmefluß bei günstigster Ausgestaltung gezielt nur nach einer Seite der Baueinheit erfolgt.
• L e e r s e i t e

Claims (11)

1> A T F N T A N S P R ii C H L 1. Halbleiterbaueinheit, bei der zwei Halbleiterbauelemente auf einer gemeinsamen metallischen Grundplatte elektrisch isoliert und thermisch leitend in elektrischer Reihenschaltung so ungeordnet sind, daß je ein den beiden Polen der Reihenschaltung zugeordneter sowie ein dritter, dem Verbindungsleiter zwischen den Halbleiterbauelementen zugeordneter Stromleitungsanschluß in einer Reihe und der dritte an einem Ende der Reihe liegen, bei der jeder der beiden äußeren Stromleitungsanschlüsse und dos ihm zugeordnete Halbleiterbauelement jeweils auf einem gemeinsamen, als unterer Stromleiter des Halbleiterbauelements dienenden Kontoktbauteil fest aufgebracht und mit diesem über eine Isolierstoffscheibe auf der Grundplatte befestigt sind, bei der ferner ein plattenförmiges Isolierstoffteil parallel zur Ebene der Grundplatte die Stromleitungsanschlüsse umfaJt, und bei der die Halbleiterbauelemente mit ihren Kontakt- und Anschlußbauteilen in einem auf der Grundplatte und aus einem Kunststoffteil bestehenden Gehause untergebracht sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der den einen Pol der Reihenschaltung bildende und dem mittleren Stromleitungsonschlut3 (9) zugeordnete obere Stromleiter (52) des entsprechenden Halbleiterbauelements mit einem Kühlbauteil (6,16) fest verbunden ist.

2. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das als Kühlbauteil (6) eine Metallplatte vorgesehen ist.

3. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlbauteil mit Winkelprofil vorgesehen und so angeordnet ist, daß der eine Schenkel (6a) mit dem oberen Stromleiter (52) fest verbunden und der andere Schenkel (6b) zur Grundplatte (1) gerichtet ist.

4. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlbauteil mit U-Profil vorgesehen und so angeordnet ist, daß dessen Mittelsteg (6a) mit dem oberen Stromleiter (52) fest verbunden ist und die beiden Schenkel (6b) zur Grundplalle (1) gerichtet sind.

5. Halblej terbaueinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Stromleiter (52) über einen Kontaktbügel (10) mit dem mittleren Stromleitungsanschluß (9) und mit dem Kühlbauteil (6) verbunden ist.

6. Halbleiterbaueinheit nach einen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil (16) gleichzeitig als Kontaktbügel zur Verbindung des oberen Stromleiters (52) mit dem mittleren Stromleitungsanschluß (9) vorgesehen ist

7. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil (6,16) in den zur Verbindung mit dem oberen Stromleiter (52) vorgesehen Abschnitt eine Öffnung zum Durchgriff des oberen Stromleiters auFweist.

8. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schenkel (6b) des Kühlbauteils sich längs der Gehäuselängsseite und bis zu der auf der Grundplatte (1) befestigten Isolierstoffscheibe (2) erstrecken und an ihrer dieser zugewandten Kante mit einer auf der Isolierstoffscheibe (2) aufgebrachten gesonderten Metallisierund (21) verlötet sind.

9. Halbleiterbaueinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil (6,16) an wenigstens einer Fläche Erhebungen zur verstärkten Wärmeableitung aufweist.

10. Halbleiterbaueinheit noch einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbouteil (6,16) ein Gieß- oder Preßteil ist.

11. Halbleiterbaueinheit nach einem der AnsprUche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlbauteil (6,16) durch Stanzen hergestellt ist.