DE3143339C2 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Abstract

Bei einer Halbleiteranordnung sind wenigstens zwei Halbleiterbauelemente in einem aus metallischer Bodenplatte und Isolierstoffoberteil bestehenden Gehäuse, auf der Bodenplatte elektrisch isoliert, untergebracht und in Isolierstoffmasse eingebettet. Die Bodenplatte besteht aus Leichtmetall mit einem lötfähigen Überzug. Auf ihrer Innenfläche ist eine elektrisch isolierende Zwischenscheibe aufgelötet. Bodenplatte und Gehäuseoberteil weisen zur gegenseitigen Halterung in der Randzone geeignet ausgebildete, z.B. für gegenseitigen Eingriff vorgesehene Abschnitte auf. Das Gehäuseoberteil ist mit einem Deckel verschlossen, der durch Einrasten von Vorsprüngen befestigt ist und Öffnungen für durchgehende Kontaktfahnen aufweist. Das Gehäuseoberteil ist mit Durchbrüchen zur Durchführung von auf der Zwischenscheibe befestigten und je eine Halbleitertablette tragenden Stromleitern versehen. Wenigstens ein Stromleiter ist im Gehäuseinneren zur Anordnung und Befestigung eines Isolierstützpunktes für eine Kontaktfahne ausgebildet. Die Durchbrüche des Gehäuseoberteils sind durch mittels Leisten geführte Schieber verschlossen, die durch Einrasten an der Gehäusewand fixiert sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit wenigstens zwei, in einem aus einer metallischen Bodenplatte und einem Gehäuseoberteil bestehenden Gehäuse angeordneten Halbleiterelementen sowie wenigstens zwei, mit den Halbleiterelementen elektrisch verbundenen Stromleiterteilen, welche jeweils mit einer durch die Gehäuseoberseite geführten Kontaktaufnahme ausgebildet sind.
• Dieser Aufbau ist für eine Halbleiterbaueinheit gemäß der DE-OS 30 09 295 bekannt. Zwischen einem Halbleiterelement und einer Kontaktplatte, auf welcher außer dem Halbleiterelement im Abstand dazu noch eines seiner Stromleiterteile befestigt ist, und welche selbst über eine Isolierscheibe mit einer metallischen Bodenplatte fest verbunden ist, ist noch eine Kontaktscheibe aus Molybdän oder Wolfram vorgesehen. Mit einer solchen Bauteilanordnung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Halbleiterbaueinheit mit gegenüber Bekanntem geringerem thermischen Widerstand zwischen Halbleiterelement und Bodenplatte und dadurch mit geringerer thermischer Belastung im Betrieb zu schaffen.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Gehäuse für eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in seinen Teilen so auszubilden, daß die Befestigung von Gehäuseoberteil und Bodenplatte sowie der Durchgang der Kontaktfahnen, d. h. der auf die Gehäuseaußenseite sich erstreckenden Stromleiterteile, durch das Gehäuseoberteil vereinfacht und, insbesondere bei einer größeren Anzahl von Kontaktfahnen je Baueinheit, in einer Massenfertigung durchführbar ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
• Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung bestehen darin, daß beliebige Halbleiterschaltungen bei voller Zugänglichkeit der Bauteile auf der Bodenplatte erstellbar sind, daß keinerlei Verdrahtung der Steuerleitungen erforderlich ist, daß schaltungsunabhängig durch Vorbehandlung und optimal angepaßte Ausgestaltung der Bauteile sowie durch deren einfachste gegenseitige räumliche Zuordnung ein überraschend wirtschaftlicher Zusammenbau möglich ist.
• Aus der DE-OS 26 39 979 ist eine Halbleiterbaueinheit bekannt, bei welcher zwei Halbleiterelemente auf einer gemeinsamen, metallischen Grundplatte elektrisch isoliert und thermisch leitend in elektrischer Reihenschaltung mit spezieller Reihenfolge der Stromleitungsanschlüsse, zu welchen auch der Verbindungsleiter der Halbleiterelemente gehört, zusammen mit ihren Stromleiterteilen in einem aus der Grundplatte und aus einem Isolierstoff- Oberteil bestehenden Gehäuse untergebracht sind. Es war die Aufgabe gestellt, bei einem solchen Aufbau einen gegenüber Bekanntem rationelleren Zusammenbau der Bauteile zu ermöglichen sowie sowohl eine einwandfreie gegenseitige Verbindung der Gehäuseteile als auch eine einwandfreie Ableitung der Verlustwärme zu gewährleisten. Die Aufgabe soll mit einer wannenförmigen Grundplatte aus Leichtmetall, die eine für eine Bördelverbindung mit dem Gehäuseoberteil geeignete Ausbildung aufweist, gelöst werden.
• Anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung erläutert.
• Fig. 1 zeigt in einer Explosionszeichnung perspektivisch das Gehäuse. In
• Fig. 2 ist in Vorderansicht die Anordnung der Halbleiterelemente mit ihren Stromleiterteilen und Stromanschlußteilen auf der Gehäusebodenplatte dargestellt.
• Fig. 3 zeigt die Unterbringung der Steuerleitungsanschlüsse zur Anordnung in einem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 2.
• Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
• Gemäß Fig. 1 weist die zur Auflage auf einem Kühlbauteil vorgesehene, metallische Bodenplatte 1 auf ihrer Oberseite eine Randeinfassung 13 und eine von dieser umschlossene, rillenförmige Vertiefung 12 zur Aufnahme der angepaßt ausgebildeten Randzone des Gehäuseoberteils 2 und eine großflächige Innenzone 15 zum Anbringen der Schaltung der Halbleiterelemente auf. An den beiden Schmalseiten der Innenzone 15 der beispielsweise rechteckförmigen Bodenplatte 1 ist je eine Durchbohrung 16 zur Durchführung eines Befestigungselements vorgesehen.
• Zur elektrisch isolierten Anordnung der Halbleiterelemente auf der Bodenplatte 1 dient eine auf der Innenzone 15 aufgebrachte, thermisch gut leitende Zwischenscheibe 4, vorzugsweise aus Oxidkeramik.
• Die Bodenplatte 1 ist aus Leichtmetall, vorzugsweise aus einer Leichtmetall-Legierung und im Druckguß hergestellt. Sie ist entweder mit einem Lötmetall, z. B. mit Zinn, beschichtet oder durch stromloses oder galvanisches Metallplattieren mit einem lötfähigen Metallüberzug, z. B. aus Nickel versehen. Gehäuseoberteil 2 und Bodenplatte 1 sind mittels eines Klebers gegenseitig fest verbunden.
• Die Randeinfassung 13 und die Innenzone 15 können gleiche Bauhöhe aufweisen. Jedoch kann die Randzone 13 auch über die Innenzone 15 vorstehen.
• Zur Erhöhung der Spannungsüberschlagsfestigkeit zwischen der Bodenplatte 1 und der elektrischen Schaltung der Halbleiterelemente kann die Bodenplatte auf der Oberfläche der Innenzone 15 einen tafelförmigen Aufsatz 18 aufweisen, auf welchem die Zwischenscheibe 4 vorzugsweise durch Löten befestigt ist.
• Die Bodenplatte 1 kann, wie dies in einer Nebendarstellung in Fig. 1 gezeigt ist, auch lediglich beiderseits plan ausgebildet sein (11) und eine Randeinfassung 14 zur Aufnahme und Halterung des Gehäuseoberteils durch Einstecken aufweisen. Dabei kann aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit des gewählten Materials die Bodenplatte in der Innenzone 11 sehr dünn ausgebildet sein.
• Die Durchbohrungen 16 in der Bodenplatte 1 können als Langloch ausgebildet sein und außerdem auf der Oberseite in eine ringförmige Erhöhung 17 mit vorzugsweise gleicher Bauhöhe wie die Randzone 13 münden. Diese Erhöhung 17 erstreckt sich durch eine entsprechend ausgebildete Durchbohrung 24 des Gehäuseoberteils 2 bis zur entsprechenden Oberfläche, so daß bei Befestigung der Anordnung, z. B. auf einem Chassis, die Befestigungselemente, z. B. Schrauben, auf die Bodenplatte in gleicher Weise wirken wie auf das Gehäuseoberteil und das Letztere, insbesondere bei wechselnder Betriebstemperatur, nicht unzulässig beansprucht wird.
• Das Gehäuseoberteil 2 ist im wesentlichen kappenförmig ausgebildet und in dem der Bodenplatte 1 zugewandten Randbereich mit einem stegförmigen, nicht dargestellten Ansatz auf die Randeinfassung 13 in die Vertiefung 12 der Bodenplatte 1 eingreifend aufgesetzt.
• Das Gehäuseoberteil ist aus einer Isolierstoffpreßmasse gefertigt. An seiner Oberseite weist es eine Öffnung 21 und an gegenüberliegenden Wandseiten je eine Einbuchtung 22 mit an der unteren Gehäusekante jeweils abschließender Befestigungsplatte 23 auf, die mit einer Durchbohrung 24 zum Eingriff der Erhöhung 17 der Bodenplatte 1 versehen ist. Anstelle der Einbuchtungen 22 können auch flanschförmige Vorsprünge vorgesehen sein, die mit entsprechend ausgebildeten Vorsprüngen der Bodenplatte übereinstimmen.
• Beiderseits jeder Einbuchtung 22 ist jeweils die Anordnung des Endes eines aus dem Gehäuseoberteil 2 herausgeführten Stromleiterteils der Kontaktfahne 52 der Halbleiteranordnung vorgesehen. Das ist nach Ausführung I lediglich mit Hilfe einer schlitzförmigen Aussparung 25 zum Durchtritt des Leiterteilendes und durch Abwinkeln dieses Endes zur Auflage auf der Gehäuseoberseite über einer Einpreßmutter erreichbar.
• Das ist weiter nach Ausführung II mit Hilfe einer in der Gehäuseoberseite angebrachten flachen Vertiefung 26 erzielt, in welche das wieder durch eine schlitzförmige Aussparung geführte Ende umgeklappt und passend über einer Einpreßmutter 27 angeordnet ist.
• Eine andere, besonders vorteilhafte Lösung zur Anbringung der Kontaktfahnen 52 besteht gemäß Ausführung III darin, daß die Gehäuseoberseite großflächige Aussparungen 28 aufweist, die der vorgesehenen abgewinkelten Fläche der Kontaktfahne angepaßt sind und sich über die Gehäusekante in die angrenzende Wandseite erstrecken. Wie dargestellt, ist die Flächenausdehnung der Aussparungen 28 im wesentlichen rechteckförmig, und deren zur zentralen Öffnung 21 parallele Kante ist stufenförmig abgesetzt ausgebildet (28 b) zur Führung des senkrecht zur Gehäuseoberfläche verlaufenden Abschnitts der zugeordneten Kontaktfahne. Deren Ende 52 ist in diesem Fall bereits abgewinkelt durch die Aussparung 28 geführt und durch ein Schieberteil 29 fixiert. Dieses ist, wie bei Ausführung III dargestellt, mit Hilfe von Führungsleisten 28 a gegenüberliegender Begrenzungsflächen der Aussparung 28 und von angepaßten Führungsnuten 29 a entsprechender Seitenflächen des Schieberteils 29 unter die Kontaktfahne 52 gesteckt bis zum Anschlag an die Abstufung 28 b und durch Einrasten der geringfügig konischen Erhebung 29 b seiner Unterseite an der Gehäuseinnenwand fest angeordnet. Eine Einpreßmutter 27 an der Oberseite des Schieberteils stimmt mit dem Loch in der Kontaktfahne 52 überein.
• Die vorzugsweise zentrale Öffnung 21 an der Oberseite des Gehäuseoberteils 2 ist nach Lage und Ausdehnung durch die einsatzbedingte Anordnung der Kontaktfahne 52 bestimmt und weist zur Auflage des Gehäusedeckels 3 an ihrer Wandung leistenförmige Erhebungen 21 a auf.
• Der Gehäusedeckel 3 ist für eine versenkte Anbringung in der Öffnung 21 angepaßt ausgebildet. Seine feste Verbindung mit dem Gehäuseoberteil 2 ist durch Einrasten der leicht federnden, im Querschnitt etwa das Profil der Ziffer eins aufweisenden Fixierstücke 32 unter die Gehäuseinnenkanten der Öffnung 21 jeweils neben den leistenförmigen Auflagestegen 21 a erreicht.
• Der ebenfalls als Kunststoffpreßteil gefertigte Deckel 3 enthält Ausnehmungen 31 zum Durchtritt von Steuerleitungsanschlüssen 58 an die Gehäuseoberfläche. Die Ausnehmungen können auch das Ende von in dem Deckel 3 gebildeten, rohrförmigen Ansätzen 33 sein, die mit ihrem gehäuseinneren Ende in die Einbettmasse der Anordnung eintauchen und somit jeweils eine völlig getrennte und isolierte Führung jeder Steuerleitung der Schaltung der Halbleiterbauelemente zur Gehäuseoberfläche gewährleisten.
• Das Gehäuseoberteil 2 kann beliebige Volumenform haben. Zwecks platzsparender Anordnung und schaltungstechnisch günstiger Zuordnung zu weiteren Vorrichtungen ist jedoch die Quader- oder Würfelform bevorzugt.
• In Fig. 2 ist in Vorderansicht der Schaltungsaufbau auf der Bodenplatte 1 gezeigt. Deren Aufsatz 18 auf der Innenzone 15 trägt auf der Zwischenscheibe 4 eine Schaltung 5, z. B. aus Gleichrichterelementen. Diese besteht aus den Stromleiterteilen 51 bis 53, aus den Halbleiterkörpern 54, den oberen Kontaktstücken 55 mit oberem Stromleiter 56 sowie, bei steuerbaren Halbleiterbauelementen, aus den Isolierstützpunkten 57 mit Steuerleitungsanschlüssen 58, an welchen das gehäuseinnere Steuerleiterteil 59 befestigt ist. Das Stromleiterteil 51 besteht aus gehäuseäußerem Ende 51 a zur Anordnung auf einem Schieberteil 29 des Gehäuseoberteils 2, aus gehäuseinneren Abschnitten 51 b, 51 c, zur Befestigung eines Halbleiterkörpers 54, und 51 d zur Kontaktierung der unteren Elektrode eines ersten Halbleiterkörpers 54 mit der oberen Elektrode eines weiteren Halbleiterkörpers 54. Der Schaltungsaufbau ist bekannt.
• Das den weiteren Gleichstromanschluß bildende Stromleiterteil 53 besteht aus einem schildförmigen, im wesentlichen parallel zur Zwischenscheibe 4 verlaufenden Abschnitt 53 b, einem denselben auf der Zwischenscheibe 4 abstützenden Abschnitt 53 c und einem gehäuseäußeren Leiterende 53 a. Dieser Leiterschild 53 b weist nicht dargestellte Aussparungen (Perforation) auf, welche in ihrer gehäuseinneren Lage mit den Einsätzen 33 des Gehäusedeckels übereinstimmen, und in welche aus Kunststoff bestehende Isolierstützpunkte 57 eingesteckt, eingerastet und in Isoliermasse eingebettet sind.
• In Fig. 3 ist in Seitenansicht ein solcher Isolierstützpunkt 57 mit eingelegtem Steuerleitungsanschluß 58 dargestellt. Der aus den beiden Teilen 571 und 572 bestehende Isolierstütztpunkt bildet einen Klappverschluß für Steuerleitungsanschluß 58. Dieser ist mit einem T-förmigen Abschnitt 58 c in Längsrichtung in eine entsprechende Ausnehmung des Isolierstützpunktteils 571 eingelegt, und 574 bezeichnet die für den Querbalken hierfür dienende Ausbildung. Durch Umklappen des Teils 572 des Isolierstützpunkts ist der Steuerleitungsanschluß (Darstellung mit unterbrochenen Linien). Diese Teilekombination ist nun gemäß der Darstellung in Fig. 2 in eine Aussparung des Leiterschildes 53 b eingesteckt und mit Hilfe der Ansätze 573 des Isolierstützpunktes eingerastet. An der Lötkontaktstelle 58 b des Steuerleitungsanschlusses ist die Steuerleitung 59 befestigt. Bis zu diesem Niveau ist die Anordnung in Gießmasse eingebettet.
• Das Leiterschild 53 b ist so bemessen, daß für jedes der vorgesehenen steuerbaren Halbleiterelemente ein Isolierstützpunkt angeordnet werden kann. Ein Ansatz an diesem Schild 53 b bildet das gehäuseäußere Leiterende 53 a. Die gehäuseinneren Leiterteile sind insbesondere im Bereich der Anordnung der Halbleiterkörper großflächig bemessen zur Begünstigung des thermischen Betriebsverhaltens. Der Gegenstand der Erfindung kann auch für 6 Gleichrichterelemente vorgesehen sein. Die dann notwendigen 5 Stromleitungsanschlüsse werden dadurch erzielt, daß ein Leiterende durch den Deckel 3 geführt und abgewinkelt angebracht ist. In diesem Fall kann das Gehäuseoberteil 2 im Bereich der Öffnung 21, d. h. angrenzend an die Kontaktfahnen 52, tafelförmig erhöht ausgestaltet sein.
• Bei der Herstellung einer Gleichrichteranordnung nach der Erfindung werden auf der oberen Fläche der Bodenplatte 1, z. B. auf ihrem Aufsatz 18, die isolierte Zwischenscheibe 4 und darauf die Leiterteile 51 bis 53 mit den entsprechend der vorgesehenen Schaltung zwischengefügten Halbleiterkörpern 54 mittels einer Vorrichtung gestapelt, gehaltert und in einem Lötprozeß sämtlich kontaktiert und geschaltet. Anschließend werden in Aussparungen des Leiterschildes 53 c je ein Isolierstützpunkt eingesteckt und gerastet. Die Steuerleitungsanschlüsse 58 sind zuvor jeweils in den Isolierstützpunkt eingebracht worden. Damit sind Stützpunkte und Steuerleitungsanschlüsse fest angeordnet. Die einfache Ausgestaltung und Unterbringung der Steuerleitungsanschlüsse in ihren Stützpunkten trägt zu der überraschend einfachen und wirtschaftlichen Massenfertigung einer solchen Halbleiteranordnung bei. Danach werden die Steuerleitungen 59 an den Leiterteilen 58 b befestigt. Anschließend wird das Gehäuseoberteil 2 aufgesetzt und mit der Bodenplatte 1 durch Kleben fest verbunden. Ferner werden die Schieberteile 29 eingesteckt und schließlich wird die Schaltung in Isolierstoffmasse eingebettet und der Deckel 3 wird aufgedrückt.

Claims (6)

1. Halbleiteranordnung mit wenigstens zwei, in einem aus einer metallischen Bodenplatte und einem Gehäuseoberteil bestehenden Gehäuse angeordneten Halbleiterelementen sowie wenigstens zwei, mit den Halbleiterelementen elektrisch verbundenen Stromleiterteilen, welche jeweils mit einer durch die Gehäuseoberseite geführten Kontaktfahne ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Bodenplatte (1) am Rand ihrer Oberseite eine stegförmige Randzone (13, 14) und eine von dieser umschlossene, rillenförmige Vertiefung (12) zur Aufnahme der dazu angepaßt ausgebildeten Randzone des Gehäuseoberteils (2) aufweist,

- daß die Bodenplatte (1) und das Gehäuseoberteil (2) zur gegenseitigen Befestigung an übereinanderliegenden Stellen jeweils konzentrische Durchbohrungen (16, 24) aufweisen, von welchen jeweils die Durchbohrung der Bodenplatte (16) an deren Oberseite mit einer ringförmigen Erhebung (17) umschlossen ist, die sich durch die zugeordnete, angepaßt bemessene Durchbohrung (24) des Gehäuseoberteils (2) bis an dessen Oberfläche erstreckt,

- daß das Gehäuseoberteil (2) an seiner Oberseite eine Öffnung (21), einen darin angeordneten Gehäusedeckel (3) sowie neben der Öffnung Durchbrüche (28) aufweist, die zum Durchgriff der jeweils als abgewinkeltes Ende des betreffenden Stromleiterteils ausgebildeten Kontaktfahnen (52) angepaßt ausgebildet sind,

- daß die Durchbrüche jeweils bis an die unmittelbar benachbarte Gehäuseseitenwand ausgedehnt und mit jeweils einem Schieberteil (29), das mit Hilfe von ineinandergreifenden Gleitprofilen (28 a, 29 a) an seiner Randfläche und an den Rändern der Durchbrüche (28) bis unter die Kontaktfahnen (52) eingesteckt ist, verschlossen sind, und

- daß zur Auflage und zur Befestigung des Gehäusedeckels (3) durch Einrasten am Gehäuseoberteil (2) beide Bauteile entsprechend ausgebildete Erhebungen (21 a) und/oder Fortsätze (32) aufweisen.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfahnen (52) der Stromleiterteile jeweils über einer in jedem Schieberteil (29) untergebrachten Einpreßmutter (27) angeordnet sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (3) Ausnehmungen (31) zum Durchgang von Steuerleitungsanschlüssen (58) der Halbleiterelemente an die Gehäuseoberfläche aufweist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (31) das gehäuseäußere Ende von an der Deckelinnenseite angeordneten, rohrförmigen Ansätzen (33) darstellen, und daß die zur Durchführung der Steuerleitungsanschlüsse (58) dienenden Ansätze (33) mit ihrem gehäuseinneren Ende in die Einbettungsmasse für die Halbleiterelemente eintauchen.

5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verschließen der Durchbrüche (28) vorgesehenen Schieberteile (29) durch Einrasten einer keilförmigen Erhebung (29 b) an der Unterseite an der Gehäuseinnenwand fixiert sind.

6. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbohrungen (24) des Gehäuseoberteils (2) jeweils in der Abschlußfläche einer zwischen Durchbrüchen (28) vorgesehenen Einbuchtung (22) angebracht sind.