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HALBLEITERVORRICHTUNG
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Die ltrfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bei der ein großflächiger
Halbleiterkörper austauschbar mit Kontaktbauteilen kontaktiert und in einem teilweise
von den Kontaktbauteilen gebildeten, im wesentlichen scheibenförmigen Hohlraum dicht
eingeschlossen ist.
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halbleitervorrichtungen hoher Strombelastbarkeit, speziell im Bereich
von einigen hundert bis über tausend Ampere, sind bevorzugt in sogenannter Scheibenzellenhauweise
ausgeführt, um durch Ableitung der Verlustwärme nach beiden Kontakt seiten des Halbleiterkörpers
das thermische Betriebsverhalten zu optimieren.
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Jede Scheibenzelle ist zwischen gegenseitig elektrisch isoliert angeordneten
Kühlkörpern fest eingespannt und mit vorgebbarem Druck kontaktiert.
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Solche Scheibenzellen erfordern einen beträchtlichen Material- und
Verfahrensaufwand. Beim Einbau von wenigstens zwei Zellen zwischen Kontaktelementen,
das sind Kithlkörper oder Stromleiter-Bauteile, in einer Ebene ist wegen unvermeidbaren,
aber unerwünschten Bauhöhentoleranzen sowie wegen mangelnder Planparallelität der
Kontaktflächen jeder Zelle ein besonderer Sortieraufwand notwendig. Weiter ist bei
Ausfall e Lner Zelle dieselbe zwar austauschbar, aber
mit dem unbrauchbaren
Halbleiterkörper ist auch das teuere Gehäuse zu verwerfen.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind ilalbieitervorrichtungen bekannt
geworden, bei denen anstelle des Keramikrings ein Kuststoffkörpervorgesehen ist,
in welchem aus Halbleiterkörper, Kontaktstücken und an diesen anliegenden, stempelförmigen
Druckstücken ein Stapel gebildet ist, der mit Hilfe von radial gegen die Innenmantelfläche
des besonders ausgebildeten Kunststoffkörpers wirkenden Dichtungsringen dicht eingeschlossen
ist. Dieser kostengiinstiaere, z.D. aus der ])E-OS 30 05 313 bekannte Aufbau
erfordert jedoch Bauteile mit besonderer Formgebung und beim Zusammenbau verhindern
die radial wirkenden Dichtungsringe ein einfaches Stapeln. Außerdem wird die Verlustwärme
überwiegend nur nach einer Seite der Konstruktion abgeleitet.
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Weiter ist aus der DS-QS 27 19 400 eine scheibenförmige Halbleiterzelle
bekannt, bei welcher der Halbleiterkörper mit seinen Kontaktstücken im Stapel zwischen
besonderen Druckstücken angeordnet ist, die ihrerseits mit einem zylindrischen Ring
ein Gehäuse bilden und mit Hilfe von zwischen den ])ruckstücken radial wirkenden,
aus einem Kleber bestehenden Dichtungsringen innerhalb des zylindrischen Ringes
fest gehalten sind. Derartige Vorrichtungen stellen zwar wirtschaftlichere Scheibenzellen
dar, lassen aber hinsichtlich Bauhöhentoleranz, Planparallelität und Austauschbarkeit
die vorgenannten Nachteile erkennen.
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Schließlich ist aus der DE-OS 2825 682 ein Halbleiterbauelement mit
Isoliergehällse bekannt, bei dem ein scheibenförmiger Halbleiterkörper über angrenzende,
napfförmige Elektroden und über in dieselben eingelegte Xontaktronden aus Molybdän
an jeder Seite mit einem druckkontaktkörper kontaktiert ist, der an
seiner
Mantelfläche eine nutenförmige Vertiefung zur Aufnahme eines radial regen einen
ringfdrmigen Gehäusekörper wirkenden Dichtungsringes aufweist. Derartige Vorrichtungen
zeigen schen aufgrung ihrer Vielzahl von Einzelteilen jeweils einen erheblichen
Material- und Vcrahrensaijfwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe Zugrunde, einen Allfbau für Halbleitervorrichtungen
sehr hoher Strombelastbarkeit anzugeben, der gegenüber dem Bekannten hinsichtlich
der verwendeten Teile und deren Zusammenbau wesentlich kostengünstiger ist, keinen
Sortieraufwand bei gemeinsamer Kontaktierung von zwei oder mehr Vorrichtungen erfordert
und bei dem alle Teile austauschbar sind.
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die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Halbleitervorrichtung der
eingangs erwähnten Art darin, dnn ein aus Halbleiterkörper und beidseitig je einem
Kontaktstück bestehender Stapel mit seinen Kontakt flächen zwischen zwei Kontaktelementen
großer Flächenausdehnung angeordnet ist, daß der Hohlraum zur Aufnahme des Stapels
aus den beiden Kontaktelementen und aus einem zwischen denselben liegenden Isolierstoffkörper
gebildet und mit Hilfe von Dichtungsmitteln an den zur gegenseitigen Verbindung
dienenden Flächen der Kontaktelemente und des Isolierstoffkörpers dicht verschlossen
ist, und daß die Kontaktstücke und die den Hohlraum bildenden flauteile wahlweise
an gegenüberligenden Flächen Ausbildungen zur gegenseitigen lagebestimmten Zuordnung
sämtlicher Bauteile aufweisen.
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Als Kontaktelemente großer Flächenausdehnung können bandförmige Stromleiterteile
oder aber Kühlbauteile vorgesehen sein.
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Als Dichtungsmittel dienen Dichtungsringe oder Flachdichtungen.
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Zur Anordnung eines Dichtungsmittels, vorzugsweise zur Aufnahme eines
Dichtungsringes zwischen den entsprechenden Flächen von Isolierstoffkörper und Kontaktelementen
ist insbesondere der Isolierstoffkörper an jeder Anschlußseite mit einer Vertiefung
versehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung
ist ein ringförmiger Isolierstoffkörper vorgesehen, der wenigstens an einer Stirnseite
eine Ausbildung aufweist, die zur gegenseitigen lagebestimmten Anordnung in eine
angepaßte Ausbildung des zugeordneten Kontaktelements eingreift.
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Die mit dem Halbleiterkörper einen Stapel bildenden Kontaktstücke
können angrenzend an das jeweilige Kontaktelement einen Abschnitt gröflerer Querschnittsfläche
zur konzentrischen Führung des Isolierstoffkörpers aufweisen.
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Andererseits kann zur konzentrischen Führung des Stapels der Isolierstoffkörper
an der Innenrandzone wenigstens einer Stirnfläche einen in sich geschlossenen oder
mehrere zum Zentrum spiegelbildliche Ansätze aufweisen.
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Anstelle eines ringförmigen Isolierstoffkörpers kann ein plattenförmiger
Isolierstoffkörper vorgesehen sein, der mit einer durchgehenden Öfnung zur Aufnahme
des Stapels versehen ist und außerdem Durchbohrungen enthält, die mit solchen in
den Kontaktelementen übereinstimmen und zur lagebestimmten gegenseitigen Zuordnung
mit @llfe von durchgeheden Bolzen dienen.
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Die gegenseitige Fixierung der Kontaktelemente und des Isolierstoffkörpers
kann auch dadurch erreicht werden, daß der plattenförmige Isolierstoffkörper an
wenigstens einer Seite Vertiefungen zum Eingriff von angepaßten Ausbildungen des
angrenzenden Kontakte.lements enthielt.
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Weiterhin ist eine solche gegenseitige Fixierung dadurch erzielbar,
daß der Isoliersto ffkörper und wenigs tens eines der Kontaktelemente an den gegenüber
liegenden Flächen übereinstimmende Einbuchtungen zur beiderseitigen Aufnahme eines
Zentrierringes aufwels en.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung besteht
darin, daß die am Halbleiterkörper anliegenden Kontaktstücke jeweils Teil des angrenzenden
Kontaktelements sind.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Die Figuren stellen
sämtlich im Querschnitt die Unterbringting des aus Halbleiterkörper und Kontaktstücken
bestehenden Stapels in dem zwischen den Kontaktelementen gebildeten Hohlraum dar
mit unterschiedlicher Formgebung der Bauteile zu ihrer gegenseitigen Fixierung.
Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
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Gemäß Figur 1 ist ein scheibenförmiger Halbleiterkörper 1 großflächig
im Stapel zwischen zwei im wesentlichen plattenförmigen Kontaktstücken 11,12 angeordnet.
Dieser Stapel ist in einem aus den Kontaktelementen 13,14 und dem zwischenliegenden,
ringförmigen Isolierstoffkörper 16 gebildeten, scheibenförmigen Hohlraum untergebracht.
Die Kontaktstücke 11,12 weisen in dem an das jeweilige Kontaktelement 13, bzw. 14
angrenzenden Bereich der Mantelfläche je einen flanschförmigen Ansatz 11a bzw. 12a
zur konzentrischen Fübrung des Isolierstoffk0rpers 16 auf. Die achsiale Bemessung
des Ansatzes richtet sich nach der geforderten Spannungsüberschlagsfestigkeit zwischen
den Kontaktstücken 11,12. Die Ausladung des Ansatzes soll eihen Schutz des halbleiterkörpers
1 gegenüber dem Isolierstoffkörper 16 bei Lageänderungen durch
thermische
Dehnung beim einsatz sicherstellen. Bedarfsweise und zur zusätzlichen Abdeckung
kann noch ein Schutzring 18 angebracht sein. Das Kontaktstück 11 weist an der unteren
Auflagefläche eine zentrale Vertiefling 11b auf, die mit einer entsprechenden (13b)
im Kontaktelement 13 übereinstimmt und zur Aufnahme eines Zentrierstiftes 15 für
die Basisfixierung des Aufbaus dient.
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Der Isolierstoffkörper 16 ist an jeder Stirnseite mit einer beispielsweise
nutenförmigen Vertiefung 16a zur Aufnahme eines Dichtungsringes 17 versehen.
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Im druckkontalit ierten Zustand des Aufbaus liegen die vorbehandelten
Kontaktflächen der Kontaktelemente 13,14 und der Kontaktstücke 11,12' jeweils gegenseitig
plan und fest an. Über das fixierte Kontaktstück 13 ist der Isolierstoffkörper 16
und Über diesen das obere Kontaktstück 12 in konzentrischer Zuordnung gegen Seitenbewegungen
fixiert. Die flauhöhe des Isolierstoffkörpers 16 ist so bemessen, daß bei kontaktiertem
Halbleiterkörper 1 die zllm dichten Verschluß des Hohlraums angebrachten Dichtungsringe
17 deformiert an den J)ichtungsflächen anliegen.
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Als Kontaktelemente 13,14 können gleichzeitig zur Stromleitung dienende,
z.B. mit Kühlmittelkanälen versehene Kühlbauteile oder nbcr z. 13. schienenförmige
Stromleiterteile vorgesehen sein. Beide Arten von Kontaktelementen bestehen vorzugsweise
aus Kupfer.
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Der Isolierstoffkörper 16 besteht aus in der Halbleitertechnik verwendbarem
Kunststoff. Die Verbindung sämtlicher Bauteile zu dem dargestellten Aufbau kann
vorteilhaft durch eine nicht gezeigte Druckkontaktvorrichtung mit Spannbolzen, Druckplatten
und Tellerfedern hergestellt sein, wobei dann die Kontaktelemente Durchbohrungen
für die Durchführung der Spannbolzen aufweisen können.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung alle Bauteile
und
iiire gegenseitige Zuordnung ist eine besonders einfache Ünterbringung eines großflächigen
Halbleiterkörpers und ein überraschend kostengünstiger Zusammenbau sämtlicher Teile
erzielbar.
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Bei einer ausführungsform nach Figur 2 sind das untere Kontaktstück
11 mit Zentrierstift sowie der Isolierstoffkörper 16 in gleicher Ausgestaltung wie
gemäß Figur 1 vorgesehen. Der Halbleiterköper 1 ist an der zu schëtzenden Ranszone
mit einer ausladenden Isolierstoffabdeckung 21 versehen, die gleichzeitig zur Lagefixierung
des halbleiterkörpers 1 bezüglich des Kontaktstücks 11 beim Zusammenbau dienen kann.
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Gemäß der Darstellung ist ein Halbleiterkörper 2 mit Steuereleictrode
vorgesehen, dessen zentral angeordnete Steuerelektrode 29 mit einem Stromleiter
kontaktiert ist, der in einer achsialen Durchbohrung 22a des Kontaktstücks 22 und
in einer in der entsprechenden und bereinstimmenden äußeren Durehbohrung 24b eingepaßten
Durchführung 25 geführt ist. Dabei ist das Kontaktstück 22 mit Hilfe einer die Durchbohrung
22a am oberen Ende umgebenden Vertiefung 22b, in welche ein Ansatz der Durchführung
25 eingreift, gemeinsam mit dem Kontaktelement 24 lagebestimmt fixiert.
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Bei einen anderen Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der Halbleiterkörper
2 zwischen einem unteren, beispielswise zylindrischen Kontaktsttjck 31 und einem
für die Kontaktierung dor zentralen Steuerelektrode vorgesehenen, der darstellung
in Figur 2 entsprec-henden oberen Kontaktstück 22 angeordnet. Die gegenseitiefe
Fixierung der den Hohlraunt bildenden Teile sowie die feste räumliche Zuordnung
des Stapels wird durch besondere Ausbildung des Isolierstoffkörpers 36 erreicht.
Er weist einen achsialen Abschnitt mit je einer Vertiefung 36a an beiden Stirnseiten
für die Aufnahme eines Dichtungsringes 17 sowie, ebenfalls
auf
beiden Stirnseiten, einen an die Außenmantelfläche angrenzenden Fortsatz 36c auf,
der in kontaktiertem Zustand des Aufbaus in entsprechende Vertierungen 33c bzw.
34c der Kontaktelemente 33 bzw. 3@ eingreift. Ferner ist der lsolierstoffkörper
36 noch mit einer flanschförmigen Ailsladung 36b an seiner Innenmantelfläche im
Bereich des Kontakt stücks 33 versehen, die mit entsprechender Bemessung zur Zentrierung
des Kontalctstüclcs 33 dient. Der Halbleiterkörper kann wieder eine profilierte
Schutzabdeckung 21 tragen.
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Schließlich zeigt Figur 4 eine besonders vorteilhafte Weiterbildung
des Gegenstandes der Erfindung, bei der die Kontaktstücke beiderseits des Halbleiterkörpers
46 die Formagebung gemäß der- Darstellitng in Figur 1 aufweisen, jedoch jeweils
Teil (43e, 44e) der Kontaktelemente 43,1i sind. Der Aufbaut besteht dann nur noch
aus den Kontaktelementen, dem Isolierstoffkörper 46 und aus dem unmittelbar zwischen
den besonders ausgebildeten Kontaktflächen der Kontaktstücke 43,44 beidseitig anliegenden
halbleiterkörper 1.
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Der plattenförmige Isolierstoffkörper 46 weist eine durchgehende,
angepaßte Öffnung 4tib zum Eingriff der Kontaktansätze 43e, 44e der Kontaktelemente
auf.
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An seinen beiden Anschlußseiten ist der Isolierstoffkörper 46 mit
je einer Vertiefung 46a zur Aufnahme eines Dichtungsringes 17 und daneben mit je
einer einbuchtung litvd versehen, die mit einer entsprechend bemessenen, gegenüberliegenden
Einbuchtung 44d bzw.
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43d der iCon taktolemente übereinstimmt und zur gemeinsamen Aufnahme
eines Zentrierringes 49 zur gegenseitigen lagebestimmten Anordnung der den Hohlraum
bildenden bauteile dient.
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Der IsoZiarst offkiirper 4(; ist t vorteilhaft mit zusätzlichen Durchbohrungen
zum gemeinsamen Aufreihen mit
den Kontaktelementen 43,44 auf Spannbolzen
einer Druckkontaktvorrichtung versehen. In Figur 4 sind hierzu lediglicii Narkierungen
(In) für den Verlauf der Spannbolzen angegeben.
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Die gegenseitige Fixierung der den Hohlraum bildenden Teile ist auch
dadurch erzielbar, daß gemäß der Dar-Stellung in Figur 4, linke Hälfte, wenigstens
eines der Kontaktelemente (43) einen stegförmigen Ansatz 43d aufweist, welcher in
eine entsprechend angepaßt ausgebildete Vertiefung 46d des Isolierstoffkörpers 46
eingreift. Eine solche besondere Ausbildung eines Kontaktelements beeinträchtigt
die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung. nach der Erfindung nicht , da gerade mit
so 1clen Hochleistungsvorrichtungen bestückte Anlagen insgesamt sehr kostenintensiv
sind, sodaß eine besondere Ausgestaltung beispielsweise atich von Kühlbauteilen
unbeachtlich ist, wenn damit eine Lösung der gestellten Aufgabe erzielbar ist.
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Bei einer anderen, nicht dargestellten Weiterbildung des Gegenstandes
der Erfindung können die %entrierringe 49 innerhalb der von den Dichtungsringen
17 umschlossenen Fläche angebracht sein und, im Falle von den Kontaktelementen getrennter
Kontaktstücke, radial nach innen verlanfende Stege zur zentrierten Anordnung der
Kontaktstücke zum Isolierstoffkörper aufweisen. Sämtliche zur Fixierung und/oder
Zentrierung dienenden Ausbildungen der Bauteile können in sich geschlossen verlaufen,
oder aber jeweils lediglich steg- oder bogen- oder höckerförmig sein.
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Zur 11erstellung des Gegenstandes der Erfindung werden z.B. nach Figur
1 das untere Kontaktelement 13, das untere Kontaktstück 11, der Halbleiterkörper
1, der Isolierst o-ffkörpe r 16 mit unterem Dichtungsring 17, der Schutzring 18,
das obere Kontaktstück 2, der obere Dichtungsring 17 und das obere Kontaktolement
12 in der genannten Reihenfolge gestapelt und mittels
Druckkontaktvorrichtung
kontaktiert und gegenseitig fest verbunden.
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Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung bestehen in der Verwendung
einfacher und kostengünstig herstellbarer Bauteile mit einer den Zusammenbau optimierenden
Ausgestaltung und in geringster Anzahl sowie in der einfachen Austauschbarkeit sämtlicher-Bauteile.
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L e e r s e i t e