DE3318729A1 - Structure for electrically insulating a semiconductor component - Google Patents

Structure for electrically insulating a semiconductor component

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Abstract

In this structure for making potential-free thermal contact to a semiconductor component (1), in particular a power thyristor or a power diode, using a heat sink (5, 9), a laminate (4, 8) is provided as electrical insulating layer. The laminate (4, 8) is composed of an aluminium oxide fibre braiding impregnated with an adhesive, preferably an adhesive containing 60 % aluminium oxide filler in powdered form. The laminate (4, 8) combines high electrical insulating capacity with good thermal and mechanical properties. In particular, it is very resistant to pressure and permits high contact forces between semiconductor component (1) and heat sink (5, 9) in order to produce a good electrical contact between metal terminal plates (2, 6) of the semiconductor component (1) and conductor rails (3, 7) used for interconnection. <IMAGE>

Description

Anordnung zur elektrischen Isolation einesArrangement for the electrical isolation of a

Halbleiterbauelementes Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrischen Isolation eines Halbleiterbauelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Semiconductor component The invention relates to an arrangement for the electrical insulation of a semiconductor component according to the preamble of Claim 1.

Eine solche Anordnung zur elektrischen Isolation eines Halbleiterbauelementes ist aus der DE-OS 10 25 9h4 bekannt.Such an arrangement for the electrical insulation of a semiconductor component is known from DE-OS 10 25 9h4.

Im bekannten Fall sind zwischen dem Halbleiterhauelement und dem Kühl körper eine Polvetrafluorethvlenschicht oder eine Isolierlackschicht, z.B. eine Silikonpolvesterlackschicht, angeordnet. Diese Isolationsschichten weisen eine gute elektrische Isolierfähikeit auf und ermöglichen einen guten thermischen Warmetibergang. Bei Einsatz von Leistungshalbleiterzellen hoher SDersDannung und hoher Leistung jedoch reicht die thermische Leitfähigkeit der dann erforderlichen dickeren Isolationsschichten nicht mehr alls, um einen raschen Wärmetransoort der in der Leistungshalbleiterzelle entstan- denen Verlustwärme zum Kühlkörper zu gewhrleisten.In the known case, there are between the semiconductor component and the cooling body a polvetrafluoroethylene layer or an insulating varnish layer, e.g. a Silicone padding varnish layer, arranged. These insulation layers exhibit good electrical insulation and enable a good thermal heat transfer. When using power semiconductor cells with high SDers voltage and high power however, the thermal conductivity of the thicker insulation layers required is sufficient no longer everything to ensure rapid heat transfer in the power semiconductor cell arose to ensure heat loss to the heat sink.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zusgrunde, eine Anordnung zur elektrischen Isolation eines Halblelterbauelementes der eingangs genannten Art anzugeben, die insbesondere auch beim Einsatz von Leistungshalbleiterzellen einen befriedigenden Wärmetransport gewährleistet.On this basis, the invention is based on the object of providing an arrangement for the electrical insulation of a half-parent component of the type mentioned at the beginning specify which, especially when using power semiconductor cells, a Satisfactory heat transport guaranteed.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich neten Merkmale gelöst.This object is characterized by the features in claim 1 marked solved.

In diesem Zusammenhang ist es allgemein bekannt, eine Keramikplatte als Isolationsbauteil zwischen einem Halbleiterbauelement und einem Kühlkörper vorzusehen. Derartige Keramikplatten halten den bei Leistungshalbeliterzellen erforderlichen hohen Anpreßkräten jedoch nicht stand, was zu feinen Rißbildungen in der Keramik und im Extremfall zum Bruch führt. Dadurch wird die Durchschlagfestigkeit herahgestzt, was elektrische Durchschläge zur Folge hat.In this context, it is generally known a ceramic plate to be provided as an insulation component between a semiconductor component and a heat sink. Such ceramic plates hold the required for power half-liter cells high pressure forces, however, did not stand, which resulted in fine cracks in the ceramic and in extreme cases leads to breakage. This increases the dielectric strength, resulting in electrical breakdowns.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Isolationsschicht preiswert herstellbar sowie einfach zu verarheiten ist und eine intensive Kühlung des Halbeiterbauelementes bei gleichzeitiger guter elektrischer Isolation gewährleistet.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the proposed insulation layer is inexpensive to manufacture and easy to manufacture is foul and intensive cooling of the semiconductor component at the same time good electrical insulation guaranteed.

Weitere Vortei]e sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich, Vorteilbafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantages can be seen from the following description, Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.The invention is explained below with reference to the in the drawing shown Embodiment explained.

In der Zeichnung ist ein Halbleiterbauelement (Leistungshalbleiterzelle) 1 in Scheibenzellenbauweise mit keramischem Gehäuse, beispielsweise eine Lelstungsdiode oder ein Leistungsthvristor dargestellt, das an seiner einen Stirnfläche be eine erste metallische Anschluplatte 2, beispielsweise dem Anodenanschluß, mit einer ersten Kupfer-Stromschiene 3 kontaktiert ist. Die Anschlußplatte 2 dient gleichzeitiz für den Strom- und Wärmeübergang. Die erste Stromschiene 3 dient dabei zur elektrischen Verbindung des Haibleiterbauelementes 1 mit weiteren, nicht dargestellten Halbleiterbauelementen einer Stromrichterschaltung oder auch zur Verbindung mit einer Hauptklemme.The drawing shows a semiconductor component (power semiconductor cell) 1 in disc cell design with a ceramic housing, for example a Lelstungsdiode or a power transistor shown that be one at its one end face first metallic connection plate 2, for example the anode connection, with a first copper busbar 3 is contacted. The connection plate 2 is used at the same time for the transfer of electricity and heat. The first busbar 3 is used for electrical Connection of the semiconductor component 1 to further semiconductor components, not shown a converter circuit or for connection to a main terminal.

Das Halbleiterbauelement 1 ist über die Stromschiene 3 und eine erste Isolationsschicht (Laminat) 4 mit einem ersten metallischen Kühlkörper 5 thermisch kontaktiert.The semiconductor component 1 is via the busbar 3 and a first Insulation layer (laminate) 4 with a first metallic heat sink 5 thermally contacted.

Bei einem symmetrischen Aufbau zu beiden Seiten dos Halbleiterbauelementes 1 ist eine zweite metallische Anschlußplatte 6 an der weiteren Stirnfläche des Halbleiterbauelementes 1, beispielsweise dem Kathodenanschluß, mit einer zweiten Kupfer-Stromschiene 7 kontaktiert. Diese zweite Stromschiene 7 dient beispielsweise zur elektrischen Verbindung des Halbleiterbauelemntes 1 mit einer weiteren Hauptklemme. Die Stromschiene 7 wird über eine zweite Isolationsschicht (Laminat) 8 mit einem zweiten metallischen KühikörDer 9 thermisch kontaktiert.With a symmetrical structure on both sides of the semiconductor component 1 is a second metallic connection plate 6 on the further end face of the semiconductor component 1, for example the cathode connection, with a second copper busbar 7 contacted. This second busbar 7 is used, for example, for electrical connection of the semiconductor component 1 with a further main terminal. The busbar 7 is Via a second insulation layer (laminate) 8 with a second metallic cooling body 9 thermally contacted.

Die beiden Kühlkörper 5 und 9 können elektrisch leitend miteinander verbunden sein.The two heat sinks 5 and 9 can be electrically conductive with one another be connected.

Die Isolationschichten 4, 8 bestehen dabei aus einem Laminat aus Aluminiumoxid-Fasern (Al2O3), die mit einem Kleber getränkt sind. Die Aluminiumoxid-Fasern sind vor- zugsweise in Form eines Geflechtes (Matte) gewebt. Als Kleber eignet sich ein Polvmidkleher oder ein anorgani scher-Kleber, der mehr als 60% Aluminiumoxid-Füllstoff in Pulverform aufweist. Es sind jedoch auch andere allgemein bekannte elektrisch isolierende organische oder anorganische Kleber geeignet.The insulation layers 4, 8 consist of a laminate of aluminum oxide fibers (Al2O3), which are soaked with an adhesive. The aluminum oxide fibers are preferably woven in the form of a mesh (mat). A polvmid glue is suitable as an adhesive or an inorganic shear adhesive that contains more than 60% alumina filler in powder form having. However, there are other well known electrically insulating organic ones as well or inorganic adhesives are suitable.

Es ergibt sich somit eine durch Al209-Fasern armiert Isolationsschicht 4,8 mit sehr hoher elektrischer Isolationsfähigkeit, mit ausgezeichneten thermischen Eigenschaften und mit sehr guten mechanischen Eigenschaften.The result is an insulation layer reinforced with Al209 fibers 4.8 with very high electrical insulation properties, with excellent thermal Properties and with very good mechanical properties.

Die sehr hohe elektrische Isolationsfahigkeit ist begründet durch das gute Isoliervermögen der Aluminiumoxid-Keramik und des Klebers. Die ausgezeichneten thermischen Eigenschaften (geringer thermischer Widerstand) ergeben sich durch den hohen Anteil. an Aluminiumoxid-Keramik (Al2O3-Fasern, Al203-Pulver haben zusammen über 70% Volumenanteil im Laminat) in der Isolationsschicht 4. Ferner können die Isolationsschichten 4, 8 noch mit den Stromschienen 3, 6 und den Kühl körpern 5, 9 mit Hilfe des beschriebenen Klebers fest verklebt sein, um thermische ffberganaswidergtande auszuschließen. Die sehr guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Druckfestigkeit, sind schließlich durch die Laminatkonstruktion und die Elastizi.tSt des Klebers begründet.The very high electrical insulation capacity is due to the good insulating properties of the aluminum oxide ceramic and the adhesive. The excellent thermal properties (low thermal resistance) result from the high proportion. to aluminum oxide ceramic (Al2O3 fibers, Al203 powder have together over 70% volume fraction in the laminate) in the insulation layer 4. Furthermore, the Insulation layers 4, 8 still with the busbars 3, 6 and the heat sinks 5, 9 with the help of the adhesive described be firmly glued to thermal ffberganaswidergtande to exclude. The very good mechanical properties, especially the high one Compressive strength, are ultimately due to the laminate construction and the Elastizi.tSt of the adhesive justified.

Die hohe Druckfestigkeit der Isolationsschichten 4, 8 ist erforderlich, um hohe Anpreßkräfte zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und den Kühlkörpern 9, 9 zu ermöglichen. Dadurch wird ein guter elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Anschlußplatten 2, 6 des Halbleiterbauelementes 1 und den Stromschienen 9, 7 erzielt.The high compressive strength of the insulation layers 4, 8 is necessary to high contact pressure between the semiconductor component 1 and the heat sinks 9, 9 to enable. This creates a good electrical contact between the metallic Connection plates 2, 6 of the semiconductor component 1 and the busbars 9, 7 achieved.

Die Anpreßkräfte werden mit Hilfe einer nicht dargestellten Spannvorrichtung aufgebracht.The pressing forces are with the help of a clamping device, not shown upset.

Neben der beschriebenen symmetrischen Einsannung des Halbleiterbauelementes 1 zwischen zwei Kühlkörpern 5, 9 ist auch eine lediglich aus den Bauteilen 1 bis 5 bestehende Anordnung ausfhrbar, wobei dann der zweite elektrische Anschluß des Halbleiterbauelementes 1 z.B. als Schraub- oder Steckanschluß ausgeführt ist.In addition to the described symmetrical clamping of the Semiconductor component 1 between two heat sinks 5, 9 is also only one of the components 1 to 5 existing arrangement can be executed, in which case the second electrical connection of the Semiconductor component 1 is designed, for example, as a screw or plug connection.

Die beschriebene Anordnung bietet die Möglichkeit, zur Bildung von Stromrichtergeräten eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen 1 auf einen oder mehrere Kilhlköreer 5, 9 isoliert zu montieren. Da die Kühlkörper jeweils potentialfrei sind, können sie auch außerhalb von Schaltschränken angebracht werden, womit Vereinfachungen bei der Kühlung und beim Schrankaufbau erzielbar sind.The arrangement described offers the possibility of forming Converter devices a plurality of semiconductor components 1 to one or more Kilhlköreer 5, 9 to be mounted insulated. Since the heat sinks are each potential-free they can also be attached outside of control cabinets, thus simplifying the process can be achieved in cooling and in cabinet construction.

Claims (1)

Ansprüche 1. Anordnung zur elektrischen Isolation eines Halbleite auelementes auf einem Kühlkörper mittels einer Isolationsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kühlkörper (5,9) und dem elektrischen Anschluß des Halbleiterbauelements (1) ein aus Aluminiumoxid-Fasern und einem elektrisch isolierenden Kleber bestehendes Laminat (4,8) angeordnet ist. Claims 1. Arrangement for electrical insulation of a semiconductor element on a heat sink by means of an insulation layer, characterized in that that between the heat sink (5.9) and the electrical connection of the semiconductor component (1) one made of alumina fibers and an electrically insulating adhesive Laminate (4,8) is arranged. ?. Anordnung nach Ansoruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumoxid-Fasern beim Laminat (4,85 in Form eines gewebten Geflechtes vorliegen. ?. Arrangement according to Ansoruch 1, characterized in that the aluminum oxide fibers in the case of the laminate (4.85 in the form of a woven mesh. 3. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kleber ein Polvmidkleber einsetzbar ist. 3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that a polvmid adhesive can be used as an adhesive. 4. Anordnung nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kleber ein anorganischer Kleber mit einem Gehalt von mindestens 60% Al2O3-Keramikpulver einsetzbar ist. 4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the adhesive is an inorganic adhesive with a content of at least 60% Al2O3 ceramic powder can be used. 5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Laminat (4,8), Kühikörner 5,9) und elektrischer Anschluß des Halbleiterbaue]e ments (1) jeweils miteinander verklebt sind. 5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that laminate (4.8), cooling grains 5.9) and electrical connection of the semiconductor structure] e ments (1) are each glued together.
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