DE2832969A1 - Leistungshalbleiter-modul - Google Patents
Leistungshalbleiter-modulInfo
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Description
BROWN, BOVERI & CiE ■ AKTIENGESELLSCHAFT
MANNHEIM BRÖWN~BOVERI
Mp.-Nr. 607/78 Mannheim, den 26.JuIi 1978
ZFF./P3-Pp/dr
"Leistungshalbleiter-Modul"
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungshalbleiter-Modul
mit einem oder mehreren, vorzugsweise zwei, auf einer gemeinsamen Montageplatte befestigten Halbleiterelementen in Form von
mit Elektroden versehenen, randseitig isolierten bzw. passivier ten, für sich gehäuselosen Tabletten und wahlweise mit Beschaltungselementen
in einem gemeinsamen Gehäuse mit Kühleinrichtung wobei die Hauptstromanschlüsse und die gegebenenfalls vorhandenen
Steuerstromanschlüsse des bzw. der Halbleiterelemente nach
einer einzigen Seite aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Ein solcher Leistungshalbleiter-Modul kann zum Aufbau von Strömjrichterschaltungen
Anwendung finden.
Bei bekannten derartigen Moduln sind verschiedene innere Schaltungsvarianten
möglich (Prospekt "Power Semiconductors" vom März 1974 von der Firma AEI Semiconductors (Publication 111),
Seiten 48/49; weiterhin Datenblatt "Thyristormoduln" my F 75/
G 75/ H 75 der Siemens AG, Erlangen). In der gebräuchlichsten
Schaltungsvariante enthält der Modul zwei mit gleicher Polung in Reihe geschaltete Thyristoren, deren Verlmdungspunkt zusätzlich
nach außen geführt ist. Je nach Verbindung der auf einer Seite befindlichen Anschlüsse des Moduls kann dieser z. B. zum
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Aufbau einer Vollweg-Gleichrichterbrücke benutzt werden, wobei
die Mittelabgriffe baw. die Anschlüsse tiu den Verbindungspunkten
zwischen den einzelnen Thyristoren für den Anschluß der Wechselstromanschlüsse am Ende der Reihe der Hauptstromanschlüsse
liegen und somit leicht zugänglich sind, oder auch zum
Aufbau einer UmkehrstromrichterscLaltunn iflit jeweils paarweise
antiparallel geschalteten Thyristoren dienen. Für den Aufbau
derartiger Stromrichterschaltungen ist es von Vorteil, daß die Leistungshalbleiter-Moduln ir.eci.anisch und elektrisch anschlußfertige
Punktionseinheiten aus einem oder mehreren diskreten Halbleiterelementen sind, ggf. mit weiteren Beschaltungselementen
und/oder der Steuerelektronik.
Ein weiterer Vorteil derartiger Module liegt in der Verbilligung durch Vermeidung der Einuel-Kapselung und Montage von I
Halbleiterelementen. j
Von Nachteil ist bei den bekannten Moduln die hohe Wärmestrom- : dichte wegen der hohen Konzentration von wärmeabgebenden Bauelementen,
was die Kühlung erschwert und so die Leistungsfähig-; lceit solcher Moduln begrenzt. Um die anfallende Wärme mit vertretbaren
Temperaturabfall an die Umgebung;, s.B. über einen .
Metallkühler, abgeben zu könne:., ist es erforderlich, den Wärme j
widerstand zwischen wärmeabgeliender Fläche des Moduls und wärme*-
aufnehmender Fläche des Kühlers klein ku halten. Dabei kann die:
bei Hochleistungs-Dioden und -thyristoren übliche Druckkontakt-; Technik wegender aufwendigen Montage nicht problemlos angewandt
werden. ■
Daher besteht die derzeit allgemein übliche Lösung darin, j
wärmeabgebende Teile, insbesondere Halbleitertabletten auf gut wärmeleitende, metallisierte Keramikplättchen, z.B. Berylliumoxid,
zu löten und diese wiederum auf eine gemeinsam Bodenplatte, z.B. Kupfer.
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BAD ORIGINAL
Diese Anordnung ist anfällig auch gegen leichte Deformationen der Bodenplatte (Bruch der Keraraik- und/oder Halbleiterelemente),
sowohl durch mechanische Einwirkung (Montage) als auch durch thermische Einwirkung (Verbiegen durch ungleichmäßige
Temperaturverteilung). Wgen der thermischen Deformation sind
dicke Bodenplatten nicht günstig, weil hierdurch die Temperaturwechselfestigkeit zu sehr herab-gesetzt wird. Zu dünne Bodenplatten
verschlechtern die mechanischen Eigenschaften (Montage) Auch eine Vergrößerung der Halbleitertabletten ist nur in engen
Grenzen sinnvoll, weil der durch die Schleusenspannung bedingte Anteil der Verlustleistung von der Tablettengröße unabhängig
ist. Außerdem sind größere Tabletten bruchgefährdeter.
Aus diesen Gründen bleibt der den bisher bekannten Moduln entnehmbare
Gleichstrom-Mittelwert deutlich unter 100 A.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärme von den Bauteilen, insbesondere
den Halbleiterelementen, bei geringem Temperaturabfall abzuführen und auf eine so große Fläche zu verteilen, daß
die Weiterleitung der Wärme auf einen üblichen Flüssigkeitsoder Luftkühler möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht auf der Grundlage des eingang
beschriebenen Leistungshalblei-ter-Moduls darin, daß sich erfindungsgemäß
auf der den Tabletten abgewandten Seite an die Montageplatte ein durch dieselbe, Seitenwände und die Bodenplatte
des Moduls begrenzter Kühlraum als primärer Teil der Kühleinrichtung anschließt, daß dieser eine Isolierflüssigkeit
enthält und zv/ecks Wärmetausch mit einem sekundären Flüssigkeit oder Luftkühler in Verbindung steht und daß jedes Halbleiterelement
mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen, die Montageplatte zum Kühlraum hin durchquerenden Anschlußteil ver·
sehen ist.
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Vorteilhaft wird gemäß diesen Maßnahmen die Wärme über die Isolierflüssigkeit auf eine große Fläche verteilt und kann
dabei in einfacher Weise auf den mit dem Kühlraum im Wärmetausch stehenden Flüssigkeits- oder Luftkühler übertragen
werden, so daß gegenüber der bloßen Anordnung von z.B. einer Kupferplatte eine stark verringerte Wärmestromdichte möglich
ist.
In einer ersten Ausführungsfora ist die Montageplatte insgesamt thermisch und zweckmäßig mindestens auf der Anschlußseite
der Halbleiterelemente mindestens bereichsweise elektrisch leitfähig. Über die leitfähigen Bereiche können also
Verbindungen zu weiteren Beschaltungselementen oder weiteren Halbleiterelementen hergestellt v/erden.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Montageplatte
ganz oder bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden, thermisch jedoch insgesamt leitfähigen Substrat, das die Anschlußteile
von nicht miteinander zu verschaltetenden ^aIbleiterelementen
oder Beschaltungselementen voneinander isoliert. Diese Ausführungsform ist von Vorteil, wenn eine Mehrzahl
von voneinander/isolierenden Schaltelementen in das Gehäuse aufzunehmen ist. Die Verbindung von miteinander zu verbindenden
Halbleiterelementen oder Beschaltungselementen geschieht dann über besondere Verbindungsleitungen.
Die Befestigung der wärmeerzeugenden Elemente, insbesondere
der Halbleitertabletten, kann, vorzugsweise in an sich bekannter Weise unter Zwischenschalten von Molybdän-Ronden
durch Löten, Einpressen oder Kleben erfolgen, so daß die für die Wärmeabgabe vorgesehenen Anschlußteile (Anoden oder
Kathoden-Anschluß) auf der Kühlraumseite des Substrat hervortreten
und durch das Substrat hermetisch und gegenseitig isoliert von den anderen Elektroden der Bauteile getrennt
werden.
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Das Modulgehäuse besteht aus zwei Teilen, dem bereits beschriebenen
Teil, der zusammen mit der Montageplatte den Kühlraum umschließt und einem die Halbleiterelemente enthaltenen
Gehäuseteil, der aus einer elektrisch isolierenden Verguß- oder Preßmasse bestehen kann. Vorteilhaft sind dabei die Halbleitertabletten
völlig gegen aggressive Medien und Staub abgesichert. Es ist an sich bereits ein luftgekühlter Stromrichter mit mehreren
Halbleiterelementen bekannt, bei dem das Gehäuse ebenfalls zwei unterschiedliche Räume enthält und der eine Raum mit den
Halbleiterelementen staubdicht ist (DE-OS 22 26 057). Im bekannten
Fall sind jedoch gemäß der dortigen Figur 1 für sich mil Gehäusen^ersehene bzw. gekapselte Halbleiterbauelemente eingesete
wogegen bei einem Modul gemäß vorliegender Erfindung für sich gehäuselose Halbleiterelemente verwendet werden. Außerdem werdet
im bekannten Fall die in den Kühlraum ragenden Anschlußteile forciert mit Luft gekühlt, wogegen erfindungsgemäß eine Übertragung
der Wärme über die Isolierflüssigkeit zum sekundären Flüssigkeits- oder Luftkühler vorgesehen ist und beide Gehäuseteile
abgedichtet sind.
Für die Abdichtung des Gehäuses insgesamt ist es von Vorteil,
wenn die Seitenwände des Kühlraumes teilweise in die Vergußoder Preßmasse, die die Halbleiterelemente umgibt, ragen.
Weiterhin sollte zweckmäßig die Montageplatte randseitig von einer Dichtung umschlossen und in die Seitenwände eingelassen
sein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Als Hauptwärmequellen sind die nur schematisch dargestellten Halbleitertabletten 1 und 2 anzusehen. Diese Halbleiter-
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tabletten 1 und 2 besitzen verschiedene Zonen abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps und können auch mindestens eine
Steuerzone besitzen. Sie sind auf ihren Hauptoberflächen mit
I Metallisierungen versehen und an ihren abgeschrägten Randseiten
mit einer Isolierung, z.B. einer Glaspassierung. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind die beiden Tabletten gegeneinander j
um 180° verdreht. An die beiden Hauptoberflächen jeder Silizium-Tablette
1, 2 schließen sich Molybdän-Ronden 3 bis 6 an. Jeweils eine Molybdän-Ronde 3 bzw. 5 jedes Halbleiterelementes 1 bzw. 2
ist mit einem äußeren Anschlußkontakt, einem Kathodenanschluß K1 bzw. einem Anodenanschluß A, verbunden. Die Anordnung in~
dieser Polarität ist nur als beispielhaft anzusehen. Die Tabletten können mit beliebiger Orientierung eingesetzt und be- :
liebig kontaktiert werden. An jede andere Molybdän-Ronde 4 bzw.' 6 schließt sich ein Anschlußteil 7 bzw. 8, vorzugsweise aus j
Kupfer, an. Die Anschlußteile 7 und 8 sind im Ausführungsbei- ' spiel als Sockelteile ausgeführt. Sie durchqueren eine Montageplatte 9, die beispielsweise aus glasfaserverstärktem Epoxidharz
bestehen und mindestens auf einer Seite mit einer Metallisierung versehen sein kann. Bei dieser Ausführungsform , die
der eingangs erwähnten ersten Variante entspricht, sind die in der Montageplatte 9 gehaltenen Halbleiterbauelemente über die ;
Molybdän-Ronden 4 und 6, die Anschlußteile 7 und 8 und die i Metallisierung 10 der Montageplatte 9 elektrisch miteinander
verbunden. Damit sind ungleichnamige Hauptelektroden der bei- ; den Halbleiterelemente 1 und 2 miteinander verbunden. Von der !
Metallisierung 10 aus, die sich auch nur auf der den Halbleiterelementen 1 und 2 zugewandten Seite der Montageplatte 10 zu j
befinden braucht, verläuft eine weitere Verbindungsleitung zu ; einem weiteren äußeren Anschlußstück AK2, d.h. die Verbindung '
zwischen der Anode des ersten Halbleiterelementes 1 und der Kathode des zweiten Halbleiterelementes 2 ist nach außen ge- j
führt. Die Halbleiterelemente 1 und 2 mit den Molybdän-Ronden 3 bis 6 und den Anschlußteilen 7 und 8, soweit sie auf '
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angeordnet sind ! der einen Seite der Montageplatte 10 / ., befinden sich
zusammen mit eventuell notwendigen Beschaltungselementen, z.B.
einem RC-Glied aus einem Kondensator 11 und einem Widerstand ,
12, in einer Verguß- oder Preßmasse 13, in die auch die äußeren
Anschlußstücke K1, AK2 und A teilweise eingelassen sind.
Auf der anderen Seite der Montageplatte 9 ragen die Anschlußteile 7 und 8 sowie der in einem entsprechenden Becher 14 be- ;
findliche Widerstand 12 in einen Kühlraum 15, der mit einer ;
Isolierflüssigkeit wie Öl, Fluorkohlenstoff usw. ausgefüllt und von Seitenwänden 16 und einer Bodenplatte 17 begrenzt ist. €)ie .
Bodenplatte 17 besitzt Anschlußbohrungen 18 für den Anschluß ; desModuls. Die Seitenwände 16 ragen in die Verguß- bzw. Preß- j
masse 13 hinein. Sie besitzen in diesem Bereich eine Nut 19, die den von einer Dichtung 20 umschlossenen Rand der Montage- =
platte 9 aufnimmt. Die Montageplatte 9 kann gegenüber den Seitenwänden 16 elektrisch isoliert sein, in^dem ihre Metallisierung
10 vor d£sen Seitenwänden endet. Bei der Variante der Montageplatte
9 aus elektrisch isolierendem, thermisch jedoch leit- I
fähigem Substrat ist die Isolierung gegenüber den Seiten-wänden 16 ohnehin gegeben. Es versteht sich, daß der eine längliche
Form aufweisende Modul auch im Bereich seiner Längsseiten mit Seitenwänden 21 abgeschlossen ist. Die Seitenwände 16 und 21 ι
sowie die Bodenplatte 17 bilden somit ein Gefäß für die Isolierflüssigkeit. Dieses Gefäß kann einstückig sein und aus Aluminium
bestehen. :
Im Fall eines gescEossenen Gefässes ist ein kompressibler Körper
22, z.B. ein gasgefüllter Kühlkörper aus Gummi, vorzusehen, der die Ausdehnung der Isolier- und Kühlflüssigkeit bei Erwärmung
gestattet. j
Das Gefäß kann gleichzeitig den sekundären Luftkühler dar- \
stellen, wenn die Seitenwände 16 und/oder 21 mit Kühlrippen 23
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- ίο -
(in der Zeichnung lediglich schematisch durch Striche angedeutet) versehen sind. Die Seitenwände 16 und/oder 21 können
auch einen Montageflansch mit planierter Fläche zur Montage an einem sekundären Flüssigkeits- oder Luftkühler aufweisen,
der für mehrere Module gemeinsam für Kühlung sorgt (nicht dargestellt).
Alternativ kann das Gefäß mit je einem Anschluß für/Ein- und austritt der Kühlflüssigkeit eines externen sekundären Flüssig-!
keitskühlersversehen werden. I
! Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Anschlußteile 7 ;
und 8 als Wärmerohre auszubilden. Der Einsatz solcher Wärme- j rohre ist bereits aus der DE-OS 22 26 057 bekannt, dort aller- :
dings nicht in direkter Wärmekopplung mit den Halbleiterelementen, sondern an der Lufteintrittsseite des dortigen Kühlraumes.
Bei Einsatz von Wärmerohren können die aus dem Substrat bzw. :
der Montageplatte 9 ragenden Wärmerohre und/oder Metallmantel bzw. Metallbecher,ähnlich wie Becher 14» weniger belasteter
Bauteile in entsprechende Ausnehmungen eines Massivkörpers eintauchen und gegen diesen, z.B. durch Siliconkautschuk, elektrisch
isoliert werden. Da ein Wärmerohr die Wärmestromdichte extrem stark herabsetzt, ist der thermische Kontakt ausreichend.
Die geringe spezifische thermische Leitfähigkeit des Kautschuks wird durch die große übertragende Fläche kompensiert. Die zuletzt
beschriebene Anordnung kann sowohl in Kombination mit einem völlig abgeschlossenen, mit Isolierflüssigkeit gefüllten
Gefäß als auch in Kombination mit einem mit einem externen Flüssigkeitskühler im Flüssigkeits-Umlauf-Kühlsystem verbundenen
Gefäß angewandt werden.
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Claims (7)
1.) leistungshalbleiter-Modul mit einem oder mehreren, vorzugsweise
zwei, auf einer gemeinsamen Montageplatte befestigten Halbleiterelementen in Form von mit Elektroden versehenen,
randseitig isolierten bzw. passivierten, für sich gehäuselosen Tabletten und wahlweise mit Beschaltungselementen in
einem gemeinsamen Gehäuse mit Kühleinrichtung, wobei die Hauptstromanschlüsse und die gegebenenfalls vorhandenen
Steuerstromanschlüsse des bzw. der Halbleiterelemente nach einer einzigen Seite aus dem Gehäuse herausgeführt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der den Tabletten (1,2) abgewandten Seite an die Montageplatte (9) ein durch dieselbe,
Seitenwände (16, 21) und die Bodenplatte (17) des Moduls begrenzter Kühlraum (15) als primärer Teil der Kühleinrichtung
anschließt, daß dieser eine Isolierflüssigkeit enthält und zwecks Wärmetausch mit einem sekundären Flüssigkeits-
oder Luftkühler in Verbindung steht daß jedes Halbleiterelement (1, 2) mit einem elektiL sch und thermisch leit·
fähigen, die Montageplatte (9) zum Kühlraum (15) hin durchquerenden
Anschlußteil (7, 8) versehen ist.
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ZFE/P4(67ti 1000/Kt)
2. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Montageplatte (9) insgesamt thermisch und mindestens auf der Anschlußseite der Halbleiterelemente
(1, 2) mindestens bereichsweise elektrisch leitfähig ist.
3. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Montageplatte (9) ganz oder bereichsweise aus einem elektrisch isolierenden, thermisch jedoch insgesamt
leitfähigem Substrat besteht, das die Anschlußteile von nicht miteinander zu verschaltenden Halbleiterelementen
oder Beschaltungselementen voneinander isoliert.
4. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Halbleiterelemente (1, 2) enthaltende
Gehäuseteil (13) aus einer elektrisch isolierenden Vergußmasse besteht.
5. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Halbleiterelemente (1, 2) enthaltende
Gehäuseteil (13) aus einer elektrisch isolierenden Preßmasse besteht.
6. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Seitenwände (16, 21) des Kühlraumes (15) teilweise in die Verruß- oder Preßmasse ragen.
7. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (9) randseitig
von einer Dichtung (20) umschlossen und in die Seitenwände (16, 21) eingelassen ist.
-D-
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'P A l· I ibft.HOUU-KE)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19782832969 DE2832969A1 (de) | 1978-07-27 | 1978-07-27 | Leistungshalbleiter-modul |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6045532
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782832969 Withdrawn DE2832969A1 (de) | 1978-07-27 | 1978-07-27 | Leistungshalbleiter-modul |
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DE (1) | DE2832969A1 (de) |
FR (1) | FR2433831A1 (de) |
SE (1) | SE7906421L (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0038510B1 (de) | 1980-04-21 | 1985-07-10 | ALSTHOM-ATLANTIQUE Société anonyme dite: | Aufbau für Leistungshalbleiter mit Transformatoren und mit Zünd- und Sicherheitsschaltkreis |
-
1978
- 1978-07-27 DE DE19782832969 patent/DE2832969A1/de not_active Withdrawn
-
1979
- 1979-07-26 FR FR7919273A patent/FR2433831A1/fr not_active Withdrawn
- 1979-07-27 SE SE7906421A patent/SE7906421L/xx not_active Application Discontinuation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0038510B1 (de) | 1980-04-21 | 1985-07-10 | ALSTHOM-ATLANTIQUE Société anonyme dite: | Aufbau für Leistungshalbleiter mit Transformatoren und mit Zünd- und Sicherheitsschaltkreis |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE7906421L (sv) | 1980-01-29 |
FR2433831A1 (fr) | 1980-03-14 |
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