DE3629567A1 - Halbleiterblock - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterblock, bestehend aus der modulartigen Zusammenfügung von Halb­ leitern mit Kühllasche, Isolierung und Montage-Elemen­ ten.

Leistungshalbleiterbauelemente führen relativ große Ströme, deren in Wärme umgesetzte Gesamtverlustleistung an ein Kühlmedium abgeführt werden muß. Als Wärmeablei­ tung kann eine Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Kon­ vektion vorgesehen werden. Gerade bei größeren Lei­ stungshalbleiterbauelementen ist die Kühlung - und hier besonders die Fremdlüftung und Wasserkühlung - von aus­ schlaggebender Bedeutung. Bei den heute üblichen Kühl­ körper-Konstruktionen fließt die Verlustwärme von der Bodenplatte der Halbleiterbauelemente über einen Voll­ körper aus Metall zu den Kühlrippen bzw. Kühlblechen, die die Wärme an die Umgebungsluft abgeben. Die eigen­ tlichen Kühlkörper sind dabei geometrisch stark ausge­ formt, um eine große Oberfläche zu erzielen. Die Kühl­ körper bestehen im einfachsten Fall aus schwarzeinge­ färbten, aufpreßbaren Kühlsternen oder bei größeren Leistungen aus massiven Aluminium-Druckgußkörpern in aufwendiger Form.

Kleine Halbleiterbauelemente in umpreßter oder vergosse­ ner Form, die häufig in Steuerschaltungen für Haushalts­ geräte oder Elektrohandwerkzeuge eingesetzt werden, ha­ ben zusätzlich ein Kühlblech herausgeführt, mit dem sie auf der Printplatte befestigt sind. Auftretende Wärme wird über dieses Kühlblech und die Leiterbahnen der kup­ ferkaschierten Printplatten abgeführt. Auch hier steht das herausgeführte Kühlblech einer Miniaturisierung hin­ derlich entgegen. Die Kühlung und Montage von Halblei­ terbauelementen wird ausführlich beschrieben in der BBC-Fachbuchreihe (Verlag W. Girardet, Essen): "Lei­ stungshalbleiter - Eigenschaften und Anwendungen", von Dr. H. Bury, Seite 117 bis 159.

Da die Oberfläche der Kühlkörper und Kühlbleche durch Kühlrippen groß gehalten werden muß, ergeben sich räum­ liche Probleme bei dem heutigen Zwang zur kompakten Bau­ form.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen einfachen zusammenschraubbaren Halbleiterblock mit gemeinsamer Kühlung und hoher Packungsdichte zu finden, dessen Aus­ senabmessungen einen platzsparenden Einbau in einer Lei­ stungsendstufe ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 erzielt. Ausgestaltungen des Erfindungsge­ genstandes sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Das augenfälligste Argument für den erfindungsgemäßen Halbleiterblock (Leistungsmodul) ist die Verringerung der Außenabmessungen elektronischer Schaltungen, was sowohl Flächen-, Volumen- und Gewichtsreduzierung bedeu­ tet. Daneben ergeben sich Einsparungen am Gehäuse, an der Verpackung, bei Ersatz- und Lagerhaltung. Gerade die Lösung der Platzprobleme kann heute für viele elektroni­ sche Erzeugnisse der Schlüssel zur grundsätzlichen Rea­ lisierbarkeit sein. Durch die sehr kompakte Form - das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist auch als Subschal­ tung an bestehende Platinen anbaubar - und die vorgefer­ tigten und leicht zusammenbaubaren Einzelteile ergibt sich zudem in vorteilhafter Weise eine Aufwertung durch Erhöhung der Zuverlässigkeit sowie ein sehr guter Nach­ bauschutz.

Durch die hohe Packungsdichte des erfindungsgemäßen Halbleiterblocks in Verbindung mit der guten Wärmeleit­ fähigkeit der Andruckplatte sinkt die Sperrschicht-Tem­ peratur der Halbleiterkristalle beträchtlich, so daß eine große Summenstrombelastung möglich ist und die Le­ bensdauer verlängerbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Der erfindungsgemäße Halbleiterblock in Form eines Lei­ stungsmoduls besteht aus einer Andruckplatte 1, einer Isolierfolie 2 und einem Kühlblech 3. Diese drei Teile sind mittels Befestigungselementen 4 (Schrauben, Nieten) zu einem Block modulartig zusammengefügt. Zwischen die Andruckplatte 1 und die Isolierfolie 2 bzw. das Kühl­ blech 3 sind Halbleiter 5 eingepreßt.

Halbleiter im T0220-Gehäuse, beispielsweise Leistungs­ transistoren, Thyristoren oder Dioden, haben zur besse­ ren Wärmeableitung eine herausgeführte Kühllasche, die ein Befestigungsloch 5 a zur Anbringung an ein Gehäuse oder ein Kühlblech aufweisen. Erfindungsgemäß sind auf der Andruckplatte 1 Noppen 6 vorgesehen, die genau mit dem Durchmesser des Befestigungsloches 5 a des Halblei­ ters 5 übereinstimmen.

Entsprechend der Anzahl der Noppen 6 werden die Halblei­ ter 5 mit ihren Befestigungslöchern 5 a auf die Noppen 6 gedrückt. Die Halbleiter stützen sich dabei mit ihrer Hinterseite 5 b an der Vorderkante der Andruckplatte 1 ab, so daß eine zusätzliche mechanische Arretierung er­ zielt wird. Die eigentlichen Halbleiterkörper ragen über den Rand der Andruckplatte 1 hinaus (nur die Kühllasche ist angepreßt).

Die Anschlußelektroden 5 c der Halbleiter 5 sind abgewin­ kelt und werden in die darunter liegende, in der Zeich­ nung nur andeutungsweise dargestellte Platine (Print­ platte) 7 eingelötet. Um einen räumlichen Abstand zwi­ schen den auf der Platine 7 befindlichen Bauelementen und der Andruckplatte 1 zu gewährleisten, sind Abstands­ hülsen 8 vorgesehen. Durch diese Abstandshülsen 8 werden auch die Schrauben 4 geführt bzw. sie sind als Konter­ muttern ausgebildet. Der erfindungsgemäße Transistor­ block läßt sich somit über bereits bestückte Platinen als Subschaltung einsetzen.

Nach der Zeichnung besteht also der Transistorblock aus der Andruckplatte 1 mit den aufgesteckten Halbleitern 5 sowie der darüber angeordneten Isolierfolie 2 und dem Kühlblech 3. Die Schrauben 4 mit den Abstandshülsen 8 pressen die gesamte Anordnung zusammen.

Im Normalfall wird bei der Montage von Halbleitern Po­ tentialfreiheit für den Kühlkörper gefordert. Zu diesem Zweck ist die mit 2 bezeichnete Isolierfolie zwischen Kühllasche des Halbleiters 5 und Kühlblech angeordnet.

Diese Isolierfolie 2 (meistens Glimmer oder Spezial- Kautschuk) ist zwar elektrisch isolierend, weist aber trotzdem gute wärmeleitende Eigenschaften auf. Es gibt aber auch Halbleiter, bei denen die Kühllasche isoliert herausgeführt wird.

Bei größeren Leistungshalbleitern wird der isolierte Aufbau weniger angewendet, weil durch direkte thermische Ankopplung mit geringem Wärmeübertragungswiderstand zwi­ schen Halbleiter und Kühlblech trotz kleiner Bauform eine höhere Strombelastung möglich ist. Auch speziell geformte Kühlbleche (mit gut wärmeabstrahlender Verrip­ pung) zur weiteren Erhöhung der Grenzstromerhöhung sind möglich.

Claims (3)

1. Halbleiterblock, bestehend aus der modulartigen Zusammenfügung von Halbleitern mit Kühllasche, Isolie­ rung und Montage-Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter (5) zwischen einer mit Noppen (6) ver­ sehenen Andruckplatte (1) und einem durch Isolierfolien (2) getrennten Kühlblech (3) angeordnet sind, und daß die Halbleiter (5) mit dem Befestigungsloch (5 a) der Kühllasche auf die Noppen (6) aufgedrückt sind.

2. Halbleiterblock nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kühlblech (3) mit Isolierfolie (2), Halb­ leiter (5) und Andruckplatte (1) durch Befestigungsele­ mente (4, 8) zusammengefügt sind und daß der Halbleiter­ block über die abgewinkelten Anschlußelektroden (5 c) der Halbleiter (5) auf eine Platine (7) einlötbar ist.

3. Halbleiterblock nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiter (5) direkt zwischen der Andruckplatte (1) und dem Kühlblech (3) angeordnet sind.