DE3032133C2

DE3032133C2 - Explosionssichere Halbleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE3032133C2
Application number: DE3032133A
Authority: DE
Inventors: Youichi Kawasaki Araki; Yukio Yokohama Igarashi; Shinjiro Chigasaki Kanagawa Kojima; Kazuyuki Tokio/Tokyo Nakashima
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1987-05-07
Also published as: GB2057762B; CA1152654A; US4399452A; GB2057762A; JPS5635443A; JPS5722419B2; DE3032133A1

Description

Die Erfindung betrifft eine explosionssichere Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei einem üblichen Leistungsgleichrichter ist ein Halbleiterelement an den einander gegenüberstehenden End- oder Stirnflächen zweier Elektroden angelötet, die lotrecht in einem geeigneten gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Das Halbleiterelement ist dabei in ein Gehäuse eingekapselt, das seinerseits aus einem zylindrischen Keramikelement und zwei ringförmigen metallischen Elementen besteht. Die beiden Ringelemente sind mit festem Sitz sowohl an den offenen Endabschnitten des zylindrischen Keramikelements als auch an den Umfangsflächen der beiden lotrecht angeordneten Elektroden angebracht. Die Innenfläche jedes Ringelements ist mit einem Abschirmelement versehen, das seinerseits so ausgebildet ist, daß es eine Zerstörung des betreffenden Ringelements durch die Schmelzstücke eines Halbleiterelements verhindert, die beim Auftreten eines übermäßig großen Stroms explosionsartig auseinanderplatzen und gegen das Ringelement prallen.
Wenn bei der bisherigen Halbleitervorrichtung ein Überstrom von mehreren kA durch das Halbleiterelement fließt, schmilzt letzteres unter der entstehenden, auf den Überstrom zurückzuführenden großen Hitze teilweise oder vollständig. Beim explosionsartigen Zerplatzen des Halbleiterelements in Schmelzstücke ist das Ringelement durch das Abschirmelement geschützt. Das zylindrische Keramikelement wird jedoch durch die mit großer Wucht auf es auftreffenden heißen Metall- Schmelzstücke des Halbleiterelements unmittelbar erhitzt, so daß es mit größter Wahrscheinlichkeit zerstört wird. Da ein solcher Bruch explosionsartig auftritt, können in der Nähe dieser bisherigen Halbleitervorrichtung befindliche Bauteile durch die Explosion stark beschädigt werden. Eine solche Explosion ist zudem auch unmöglich vorherzusehen, so daß eine in der Nähe einer solchen Halbleitervorrichtung befindliche Bedienungsperson bei der Explosion möglicherweise Verletzungen erleidet.

Aus der JP-OS 54-25 164 ist eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser Halbleitervorrichtung besteht das Explosionsschutzelement aus einem einstückigen elastischen Ring, der an seinem Innenrand mit einer Nut oder Rille versehen ist, in welche das Halbleiterelement mit seinem Außenrand eingelegt ist. Bei dieser Halbleitervorrichtung ist einerseits das Halbleiterelement relativ schwierig in die Nut bzw. Rille des Explosionsschutzelementes einzulegen. Andererseits erfolgt auch eine Explosion unkontrolliert, da nicht abgesehen werden kann, in welche Richtungen dabei die einzelnen Teile des Explosionsschutzelementes zerspringen.

Weiterhin ist aus der US-PS 40 99 201 ein an erster und zweiter Elektrode eines Halbleiterelementes anliegendes elastisches Explosionsschutzelement bekannt.

Schließlich ist aus der JP-OS 54-25 165 eine Halbleitervorrichtung bekannt, die ein zweiteiliges Explosionsschutzelement aufweist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Halbleiterelement und das Explosionsschutzelement leicht miteinander montierbar sind und bei der bei Auftreten einer Explosion ein unkontrolliertes Zerspringen vermeidbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patensanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Darstellung der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1, welche die Verschiebung der beiden Teile des Explosionsschutzelements gemäß Fig. 1 beim Explodieren des Halbleiterelements veranschaulicht,
Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung des Explosionsschutzelements bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 4 eine Schnittansicht des Explosionsschutzelements bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit einer gegenüber Fig. 3 unterschiedlichen Verbindung oder Fuge zwischen den beiden verschiebbaren Teilen,
Fig. 5A bis 5E Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1 zur Veranschaulichung der Arbeitsgänge bei ihrer Herstellung.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1 ist ein Halbleiterelement 13 (z. B. ein Siliziumelement) zwischen zwei Elektroden 11 und 12 verspannt und von einem Gehäuse 14 umschlossen. Das Gehäuse 14 und die Elektroden 11, 12 bilden eine luftdichte Kammer. Das Gehäuse 14 umfaßt ein hohlzylindrisches Element 15, Ringelemente 16, 17, die an den beiden offenen Endabschnitten des Zylinderelements 15 befestigt sind, und ein an der Innenfläche des Ringelements 16 befestigtes inneres Ringelement 18. Das Zylinderelement 15 besteht aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Keramik. Die Innenkontur des Zylinderelements 15 entspricht einer regelmäßigen Zylinderform. Die Ringelemente 16, 17 und 18 sind aus Kovar hergestellt, wobei das Ringelement 17 fest mit der unteren Elektrode 12 verbunden ist. Das Ringelement 16 ist am inneren Ringelement 18 angeschweißt, das seinerseits an der oberen Elektrode 11 befestigt ist. Ein hohlzylindrisches Explosionsschutzelement 20 ist so in das Gehäuse 14 eingesetzt, daß es das Halbleiterelement 13 umschließt. Das zweiteilige Explosionsschutzelement 20 besteht aus einem wärmebeständigen Isoliermaterial, z. B. Silikongummi in hohlzylindrischer Form. Sein oberer Endabschnitt 22 b steht in fester Andruckberührung mit der Seitenfläche des schlankeren Teils der oberen Elektrode 11, während sein unterer Teil 21 a fest an der unteren Elektrode 12 anliegt. Der Mittelteil 21 b des Explosionsschutzelements 20 liegt an der Außenumfangsfläche des Halbleiterelements 13 an, um dieses in einer vorbestimmten Stellung zu halten.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 besteht das Explosionsschutzelement 20 aus zwei lotrecht übereinander angeordneten, getrennten Teilen 21 und 22, die an einer abgestuften Verbindungsstelle bzw. Trennfuge 20 h miteinander verbunden sind. Die Trennfuge 20 h befindet sich dabei oberhalb des Halbleiterelements 13 an einer dem inneren Ringelement 18 zugewandten Stelle. Die beiden Teile 21 und 22 des Explosionsschutzelements sind im ineinander eingesetzten Zustand axial zur Halbleitervorrichtung relativ zueinander verschiebbar.
Im Normalzustand der Halbleitervorrichtung befindet sich zwischen der Innenfläche des Gehäuses 14 und der Außenumfangsfläche des zusammengesetzten Explosionsschutzelements 20 ein Spalt 30, der als Spielraum zur Ermöglichung einer radialen und axialen Ausdehnung des mehrteiligen Explosionsschutzelements 20 unter dem Einfluß starker Wärme- und Druckeinwirkung im Fall einer Explosion des Halbleiterelements 13 bei einem dieses durchfließenden Überstrom dient. Falls das Halbleiterelement 13 explodiert, verlagert sich das zusammengesetzte Explosionsschutzelement 20 auf die bei 40 in Fig. 2 angedeutete Weise in enge Anlage an das Gehäuse 14, wobei der Spalt 30 verschwindet. Die beiden getrennten Teile 21 und 22 des Explosionsschutzelements, die aus einem weichen, elastischen Material, wie Silikongummi bestehen, können sich insbesondere in Radialrichtung leicht ausdehnen. Da sich diese Teile 21 und 22 unter Aufrechterhaltung ihrer gegenseitigen Verbindung in axialer Richtung zueinander verschieben können, bleibt die luftdichte Abdichtung innerhalb des Explosionsschutzelements 20 erhalten.
Die perspektivische Darstellung gemäß Fig. 3 soll den Aufbau des zusammengesetzten bzw. mehrteiligen Explosionsschutzelements 20 näher verdeutlichen. Bei der in Verbindung mit Fig. 1 bis 3 beschriebenen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung werden die bei einer Explosion des Halbleiterelements 13 unter dem Einfluß eines Überstroms auftretenden großen Kräfte durch das zusammengesetzte elastische Explosionsschutzelement 20 vollständig aufgefangen.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht das mehrteilige Explosionsschutzelement 20, wie erwähnt, aus zwei weichen, elastischen Teilen 21 und 22. Bei der Montage der Halbleitervorrichtung kann somit das Halbleiterelement 13 ohne weiteres in seine vorgesehene Einbaustellung zwischen den beiden Teilen 21 und 22 eingesetzt werden, so daß eine festere Berührung zwischen dem Halbleiterelement 13 und dem mehrteiligen Explosionsschutzelement 20 gewährleistet werden kann.
Fig. 4 veranschaulicht eine Abwandlung des zusammengesetzten bzw. mehrteiligen Explosionsschutzelements 20 gemäß Fig. 1. In diesem Fall ist an der Unterseite des oberen Teils 22 des Explosionsschutzelements 20 ein Ringbund 22 c angeformt. In der Oberseite des unteren Teils 21 ist dagegen eine Ringnut 21 c ausgebildet. Mit dieser Anordnung wird eine innigere Berührung bzw. festere Verbindung zwischen den beiden Teilen 21 und 22 des Explosionsschutzelements 20 gewährleistet.
Im folgenden sind anhand der Fig. 5A bis 5E die Arbeitsgänge bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert. Gemäß Fig. 5A werden zunächst die Ringelemente 16 und 17 an Oberseite bzw. Unterseite eines Zylinderelements 15 angebracht. Am Unterteil des unteren Ringelements 17 wird eine untere Elektrode 12 befestigt. Gemäß Fig. 5B wird hierauf ein unterer Explosionsschutzteil 21 von der Seite des oberen Ringelements 16 her in das Zylinderelement 15 eingesetzt, wobei die Innenumfangsfläche 21 a dieses Teils mit festem Sitz auf die Außenumfangsfläche der unteren Elektrode 12 aufgesetzt wird. Anschließend wird gemäß Fig. 5C ein Halbleiterelement 13 in den unteren Explosionsschutzteil 21 so eingesetzt, daß die Außenumfangsfläche des Halbleiterelements 13 fest an der Innenumfangsfläche 21 b des unteren Explosionsschutzteils 21 anliegt, während seine Unterseite mit der Oberseite der unteren Elektrode 12 in enger Anlage steht. Das Halbleiterelement 13 wird in seinem an der Oberseite der unteren Elektrode 12 anliegenden Zustand festgelegt bzw. befestigt. Gemäß Fig. 5D wird der obere Explosionsschutzteil 22 sodann mit dem unteren Explosionsschutzteil 21 zusammengesetzt. Im abschließenden Arbeitsgang gemäß Fig. 5E wird eine mit einem inneren Ringelement 18 versehene obere Elektrode 11 so in das Gehäuse 14 eingesetzt, daß das Halbleiterelement 13 unter einem vorbestimmten Druck verspannt ist. Hierauf sind inneres Ringelement 18 und äußeres Ringelement 16 sicher gehaltert.
Die Erfindung ist nicht nur auf einen Leistungsgleichrichter, sondern auch auf einen Leistungstransistor, Leistungsthyristor oder ein ähnliches Bauelement anwendbar.

Claims

1. Explosionssichere Halbleitervorrichtung mit
einem Halbleiterelement (13),
einer ersten und einer zweiten Elektrode (11, 12), zwischen denen das Halbleiterelement (13) angeordnet ist, wobei wenigstens die erste Elektrode (11) einen das Halbleiterelement (13) kontaktierenden ersten Zylinderabschnitt und einen zweiten Zylinderabschnitt mit einem größeren Durchmesser als der Durchmesser des ersten Zylinderabschnitts aufweist,
einem Gehäuse (14), welches eine luftdichte Kammer bildet und das Halbleiterelement (13) einschließt, und
einem im Gehäuse angeordneten, das Halbleiterelement (13) umschließenden Explosionsschutzelement (20) zum Auffangen der bei einer Explosion des Halbleiterelementes (13) auftretenden Kräfte,
wobei das Explosionsschutzelement (20) einen ersten ringförmigen Abschnitt (21 b), der die äußere Mantelfläche des Halbleiterelements (13) berührt,
einen zweiten ringförmigen Abschnitt (22 b), der die Seitenfläche des ersten Zylinderabschnitts der ersten Elektrode (11) berührt, und
einen dritten ringförmigen Abschnitt (21 a), der die zweite Elektrode berührt, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Explosionsschutzelement (20) aus mehreren Teilen (21, 22) zusammengesetzt ist, die unter Aufrechterhaltung ihrer gegenseitigen Verbindung in axialer Richtung zueinander verschiebbar sind.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Explosionsschutzelement (20) in Radialrichtung derart ausdehnbar ist, daß die Außenumfangsfläche eines der beiden Teile (22, 21) in teilweisen Kontakt mit der Innenfläche des Gehäuses (14) gelangt.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der an der ersten Elektrode (11) anliegende erste Teil (22) des Explosionsschutzelementes (20) einen ringförmigen Vorsprung (22 a) besitzt, welcher sich in Axialrichtung des Explosionsschutzelementes (20) erstreckt und beim Explodieren des Halbleiterelementes (13) teilweise in Berührung mit der flachen Oberfläche des zweiten Zylinderabschnitts der ersten Elektrode (11) bringbar ist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Teile (21, 22) an ihrer Teilungsfläche derart ausgebildet sind, daß ein Vorsprung (22 c) des ersten Teils (22) in eine entsprechende Aussparung des zweiten Teils (1) eingreift.