DE3910470C2 - Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung mit in den beteiligten Chips verringerter Wärmebelastung, insb. Wärmespannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungshalblei­ ter-Schaltervorrichtung.

Eine herkömmliche Halbleiter-Schaltervorrichtung oder -Schaltvorrich­ tung wird verbreitet als Schalter für (Leistungs-)Strom­ netze eingesetzt. Als Beispiel für eine solche Vorrich­ tung ist in Fig. 1 schematisch eine Leistungshalbleiter- Schaltervorrichtung zur Verwendung in einem Stromnetz, in welchem ein Strom einer Stärke von mehreren 100 A oder mehr fließt, dargestellt. Diese Schaltervorrichtung umfaßt eine Anodenelektrode 1 aus Kupfer, die als Wärmesumpf (Kühlkörper) dient, und eine aus Kupfer bestehende und ebenfalls als Wärmesumpf dienende Kathodenelektrode 2. Zwei Metallschichten 4 sind jeweils in Kontakt mit Anoden- und Kathodenelektrode 1 bzw. 2 ausgebildet. Ein ein Halbleiter-Schalt(er)element, wie einen Thyristor oder einen GTO (Abschalt-Thyristor), darstellender Halbleiter- Chip 3 ist zwischen den Metallschichten 4 ausgebildet und steht mit letzteren in Kontakt, wobei eine Gateelek­ trode 5 an den Chip 3 angeschlossen ist. Die Schaltervor­ richtung ist in ein nicht dargestelltes Gehäuse einge­ schlossen. Wenn diese Halbleiter-Schaltervorrichtung fertiggestellt ist, werden von außen her Kräfte in den durch Pfeile angedeuteten Richtungen auf Anoden- und Kathodenelektroden 1 bzw. 2 ausgeübt, wodurch letztere, der Halbleiter-Chip 3 und die Metallschichten 4 gegenein­ ander gepreßt werden, um damit in ausreichender Weise einen thermischen oder Wärmewiderstand zu verringern, der aufgrund der im Chip 3 erzeugten Wärme im Betrieb der Schaltervorrichtung in einem Stromnetz zwischen dem Chip 3 und den Elektroden 1 und 2 induziert wird. Dabei entsteht im Chip 3 eine große thermische Belastung oder Spannung aufgrund unterschied­ licher Wärmedehnungskoeffizienten der Elektroden 1 und 2 und des Chips 3. Die Metallschichten 4 sind dabei zur Verminderung dieser thermischen Spannung vorgesehen.

Eine Methode zum Vorbelasten und Montieren eines Halbleiterelements ist in der JP-OS 53-1 43 174 (1978) be­ schrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung wird ein schei­ benförmiger Thyristor verwendet, an dessen beiden Seiten wärmeleitfähige Rippen vorgesehen sind. Um den Thyristor herum sind Paare von Schrauben und Muttern angeordnet, welche die Rippen auf beiden Seiten des Thyristors durch­ setzen. Der Abstand zwischen den Rippen wird durch An­ ziehen der Schrauben-Mutter-Kombination verkleinert, wo­ durch der Thyristor mit einer Kraft beaufschlagt wird. Infolgedessen wird der Thyristor, als Halbleiterelement, mittels der Rippen vorbelastet und montiert. Eine andere Montagemethode ist in der JP-OS 54-89 574 (1979) beschrieben, die eine Spannvorrichtung für ein elektronisches Halbleiter­ element offenbart. Bei dieser Anordnung ist ein flacher Thyristor als Halbleiterelement vorgesehen. Auf beiden Seiten des Thyristors sind Kühlelemente angeordnet. Von einem mittleren Abschnitt eines der Kühlelemente ragt ein Vorsprung nach außen. Am Seitenabschnitt des Thyristors ist ein Isolator angeordnet. An der Außenseite des den Vorsprung aufweisenden Kühlelements oder -körpers ist eine Blattfeder vorgesehen. In den beiden Kühlelementen, dem Isolator und der Blattfeder sind Bohrungen zur Auf­ nahme einer diese Bohrungen durchsetzenden Schraube aus­ gebildet. Von der Außenseite der Blattfeder her ist eine Mutter auf die Schraube aufgeschraubt. Wenn die Mutter mit der Blattfeder in Berührung gebracht (gegen diese an­ gezogen) wird, wird die Blattfeder mit einer Kraft beauf­ schlagt. Wenn die Blattfeder mit dem Vorsprung des Kühl­ elements in Berührung gebracht wird, wird das Kühlelement mit einer Kraft beaufschlagt. Auf diese Weise wird der zwischen den Kühlelementen angeordnete Thyristor mit einer Kraft beaufschlagt, so daß der Thyristor an die auf seinen beiden Seiten angeordneten Kühlelemente angedrückt wird.

Um bei der herkömmlichen Leistungshalbleiter-Schaltervor­ richtung gemäß Fig. 1 die Stromkapazität zu erhöhen, muß der Durchmesser des Halbleiter-Chips 3 vergrößert werden. Mit einer Erhöhung der Stromkapazität der Schaltervor­ richtung vergrößert sich die im Chip erzeugte Wärmemenge. Aus diesem Grund sind dabei eine Einrichtung zur wirk­ samen Abstrahlung der Wärme und eine Einrichtung zur Minderung einer unter dem Wärmeeinfluß induzierten Span­ nung erforderlich.

Bei dieser herkömmlichen Halbleiter-Schaltervorrichtung wird zudem Wärme von einer Elektrodenfläche des Halbleiter- Chips 3 abgestrahlt. Um die Wärme vom Chip 3 zufrieden­ stellend abzustrahlen, muß daher eine vergleichsweise große Spann- oder Vorbelastungskraft von außen auf die Schaltervorrichtung ausgeübt werden. Diese Kraft ist allerdings im allgemeinen nicht der Wärmeabstrahllei­ stung proportional. Aus diesem Grund ist es sinnlos, eine sehr große Spann- oder Vorbelastungskraft auf die Schal­ tervorrichtung auszuüben. Wenn zudem eine sehr große Spann- oder Vorbelastungskraft zwischen Anode und Kathode ausgeübt wird, wird es schwierig, die im Halbleiter-Chip 3 induzierte thermische Spannung oder Wärmespannung zu verringern, so daß der Chip selbst beschädigt werden kann. Bei der herkömmlichen Schaltervorrichtung können die ein­ zelnen Bauelemente unter der thermischen Spannung brechen, weil sie mit der Spann- oder Vorbelastungskraft beauf­ schlagt sind. Infolgedessen ist bei der bisherigen Halb­ leiter-Schaltervorrichtung die Kühlleistung begrenzt, und die Erzielung einer großen Stromkapazität ist schwierig.

Aus der DE-GM 82 18 745 ist eine Halbleiterventilanordnung für Hochstromgleichrichteranlagen bekannt, bei denen die Halbleiterventile zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet sind. Die Kühlkörper weisen einander gegenüberliegende Vorsprünge auf, zwischen denen jeweils ein Halbleiterelement angeordnet ist und von einer Keramikplatte getragen wird. Bei dieser Anordnung kann bei hoher Leistung, das heißt bei starken Strömen eine ausreichende Wärmeabfuhr nicht mehr gewährleistet werden.

Eine Halbleitervorrichtung für einen starken Strom ist aus der JP 57-30 357 A, in Patents Abstr. of Japan, Sect. E, Vol. 6 (1982), No. 95 (E-110), bekannt.

Die DE-OS 29 40 571 offenbart einen Modul aus wenigstens zwei Halbleiterbauelementen, bei dem je zwei Halbleiterbauelemente über einen Doppel-Druckkontaktkörper mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.

Die DE-OS 16 14 445 offenbart ein steuerbares Halbleiter- Gleichrichter-Bauelement für Wechselstrom, bei dem ein Steuerelektrodenanschluß in einer Ausnehmung verläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungshalbleitervorrichtung derart auszuführen, daß auf einfache Weise eine ausreichende Verringerung der in die Chips induzierten Wärmespannung erhalten wird, so daß die Chips nicht beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichneten Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst.

Mit der Erfindung wird eine Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung einer größeren Kapazität und einer höheren Leistung geschaffen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Halbleiter-Schaltervorrichtung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Halbleiter-Schaltervor­ richtung gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2,

Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung von Teilen der Schaltervorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2,

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung von modifizierten Teilen bei der ersten Ausführungsform,

Fig. 7 einen Schnitt durch diese Teile,

Fig. 8 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer anderen Modifikation der ersten Ausführungsform,

Fig. 9 einen Schnitt durch Teile gemäß einer anderen speziellen Ausführung,

Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform,

Fig. 11 eine Aufsicht auf eine Halbleiter-Schaltervor­ richtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 11,

Fig. 13 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teil­ schnitt längs der Linie D-D in Fig. 11,

Fig. 14 eine Aufsicht auf eine Modifikation der zweiten Ausführungsform,

Fig. 15 einen Schnitt längs der Linie E-E in Fig. 11,

Fig. 16 eine Aufsicht auf eine Halbleiter-Schaltervor­ richtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 17 einen Schnitt längs der Linie F-F in Fig. 16,

Fig. 18 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt­ ansicht des Teils G von Fig. 17,

Fig. 19 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teil- Schnittansicht einer Modifikation der dritten Ausführungsform,

Fig. 20 eine Schnittansicht einer anderen Modifikation der dritten Ausführungsform,

Fig. 21 eine Schnittansicht einer Halbleiter-Schalter­ vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 22 eine Schnittansicht einer Modifikation der vierten Ausführungsform,

Fig. 23 eine Schnittansicht einer Halbleiter-Schalter­ vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 24 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt­ ansicht des Teils H von Fig. 23.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen eine Leistungshalblei­ ter-Schaltervorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung mit Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14 jeweils aus einer 10 mm dicken Kupferplatte oder -scheibe eines Durchmessers von 90 mm. Anoden- und Kathodenelektrode 12 bzw. 14 sind einander gegenüber­ stehend angeordnet. Zwischen den Elektroden 12 und 14 sind zehn auf einem Kreis angeordnete Halbleiter- Chips 16 und zwei um die Chips 16 herum ange­ ordnete Aluminiumtrid- bzw. AlN-Platten 18 und 20 vorge­ sehen. Ein isolierendes Gehäuse 22 umschließt die Umfangs­ fläche der Schaltervorrichtung.

Im folgenden ist der Aufbau dieser Halbleiter-Schalter­ vorrichtung im einzelnen erläutert, Gemäß Fig. 3 steht die AlN-Platte 18 in Kontakt mit der Anodenelektrode 12, während die AlN-Platte 20 mit der Kathodenelektrode 14 in Kontakt steht. Die AlN-Platten oder -Scheiben 18 und 20 stehen dabei in Kontakt miteinander. Gemäß Fig. 4 sind in den AlN-Platten 18 und 20 jeweils quadratische Löcher bzw. Bohrungen 24 bzw. 26 für das Einsetzen des Chips 16 ausgebildet. Die Bohrungen 24 und 26 besitzen je­ weils eine Seitenlänge von z.B. 10 mm. Zehn derartige Bohrungen 24 (26) sind jeweils in gleichen Radialabständen vom Zentrum der betreffenden Platte 18 (20) vorgesehen, Von jeder Bohrung 24 (26) verläuft eine Rille 28 in Rich­ tung auf das Zentrum der betreffenden Platte 18 (20), Weiterhin verläuft eine Rille 30 vom Zentrum der Platte 18 (20) zu deren Außenseite. Im Gehäuse 22 ist eine den Rillen 30 entsprechende Bohrung 32 vorgesehen. Gemäß Fig. 5 enthält jede Bohrung 24 (26) eine Molybdänplatte oder -scheibe 34, die mit der Anodenelektrode 12 in Kon­ takt steht, eine mit der Kathodenelektrode 14 in Kontakt stehende Molybdänplatte oder -scheibe 36 und den zwischen den beiden Molybdänplatten 34 und 36 angeordneten Halb­ leiter-Chip 16. Jeder Chip 16 besteht aus einem Transistor mit isolierter Gateelektrode, z.B. einem durch Bearbeitung eines Siliziumplättchens ausgebildeten MOSFET oder IGBT. Die Gesamtdicke der Platten oder Scheiben 34 und 36 und des Chips 16 ist geringfügig größer als die Gesamtdicke der AlN-Platten 18 und 20. Durch die Rillen 28 verläuft je eine mit dem betreffenden Chip 16 verbundene Gateelektrodenleitung 38. In die Rillen 30 ist eine Zuleitung 40 für externen Anschluß eingelegt. Die Gateelektrodenleitungen 38 sind im Zentrum der Platte 18 (20) miteinander verbunden. Die Zuleitung 40 ist eben­ falls an diesen Verbindungsabschnitt angeschlossen.

Gemäß Fig. 5 wird die beschriebene Leistungshalbleiter- Schaltervorrichtung 10 durch Ausübung von Spann- oder Vorbelastungskräften in den durch Pfeile bezeichneten Richtungen fertiggestellt. Wenn ein Strom die Schalter­ vorrichtung 10 durchfließt, entsteht in jedem Chip 16 Wärme. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Molybdän­ platte 34 (36) entspricht weitgehend dem von Silizium. Die Molybdänplatten 34 und 36 verringern daher die thermische Spannung oder Wärmespannung, die in diametraler Richtung jedes Chips aufgrund der Differenz zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten der Elektroden 12 und 14 sowie des Chips 16 entsteht. Die AlN-Platte 18 (20) besitzt ebenfalls einen nahezu dem Wärmedehnungskoeffizienten von Silizium entsprechenden Wärmedehnungskoeffizienten, und sie be­ sitzt dabei Isoliereigenschaften und gute Wärmeleitfähigkeit. Infolgedessen leiten die AlN-Platten 18 und 20 die in jedem Chip 16 erzeugte Wärme ab, um die Wärmespannung in Durchmesserrichtung zu verringern. Außerdem isolieren die Platten 18 und 20 die Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14 sowie die Chips 16 gegeneinander, um den Wärmewiderstand zwischen den Außenflächen jedes Chips 16 und den Elektroden 12 und 14 zu verringern.

Bei der beschriebenen Halbleiter-Schaltervorrichtung 10 sind zehn getrennte oder einzelne Chips 16 parallel zwi­ schen Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14 ange­ ordnet und verschaltet. Durch Änderung der Zahl der Chips 16 kann eine Schaltervorrichtung einer gewünschten Strom­ kapazität gebildet werden. Im allgemeinen ist es schwierig, eine Hochleistungs-Schaltervorrichtung einer Stromkapazität von 500 A und guter Schaltcharakteristik mittels eines einzigen Halbleiter-Chips herzustellen. Dies ist deshalb der Fall, weil es aufgrund von Fertigungseinschränkungen schwierig ist, eine gleichmäßige Präzision der jeweiligen Einheiten oder Bauelemente einer Schaltervorrichtung zu erreichen. Da bei der erfindungsgemäßen Schaltervorrich­ tung jedoch mehrere Chips 16 parallel zueinander ange­ ordnet (parallelgeschaltet) sind, kann eine gewünschte Stromkapazität erzielt werden. Durch Anordnung einer An­ zahl kompakter Hochleistungs-Halbleiterchips läßt sich somit eine Hochleistungs-Schaltervorrichtung einer großen Kapazität realisieren. Die Herstellung kompakter Halblei­ ter-Chips einer hohen Leistung ist vergleichsweise ein­ fach. Unter der Voraussetzung, daß eine Gesamtquerschnitts­ fläche aller Chips der Querschnittsfläche eines herkömm­ lichen Einzel-Chips gleich ist, kann aufgrund der Ver­ wendung mehrerer Chips die Oberfläche der Seitenflächen erheblich vergrößert werden. Dabei wird die Wärme über die Seitenflächen jedes Chips abgeleitet. Da aus diesem Grund die Wärme vom Chip abgestrahlt werden kann, ohne dessen Spann- oder Vorbelastungskraft zu vergrößern, läßt sich die in jedem Chip induzierte Wärmespannung ohne weiteres verringern. Infolgedessen können Probleme be­ züglich der Wärmeabstrahlung und der Wärmespannung, die bei einer Erhöhung der Stromkapazität der Schaltervor­ richtung auftreten, zufriedenstellend gelöst werden. Da weiterhin die Gateelektrodenleitungen 38 von den Chips 16 im Zentrum der Schaltervorrichtung 10 miteinander ver­ bunden sind, besitzen diese Leitungen 38 jeweils gleiche Länge. Demzufolge unterliegen die zeitlichen Verläufe von über die Leitungen 38 zwischen den Chips 16 und dem Anschluß­ teil übertragenen elektrischen Signalen keiner Änderung. Aus diesem Grund können die Schaltcharakteristika bzw. -eigenschaften der Schaltervorrichtung 10 vergleich­ mäßigt und damit eine hohe Leistung der Schaltervorrich­ tung erzielt werden.

Im folgenden ist eine Abwandlung der beschriebenen Aus­ führungsform erläutert. Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen einen Abschnitt oder Teil dieser Abwandlung, bei welcher die in den AlN-Platten 18 und 20 ausgebildeten Löcher oder Bohrungen 44 bzw. 46 jeweils eine Stufe aufweisen. Genauer gesagt: die Vierkant-Bohrung 44 (46) ist an der Seite, an welcher die Platten 18 und 20 miteinander in Kontakt stehen, größer bzw. weiter ausgebildet. Zwischen einen Chip 16 und die Anodenelektrode 12 sowie zwischen den Chip 16 und die Kathodenelektrode 14 ist jeweils ein niedrigschmelzendes Metall 42 eingefügt. Jede Bohrung 44 und 46 weist einen erweiterten Abschnitt 44a bzw. 46a auf. Wenn die AlN-Platten 18 und 20 in gegenseitigen Kon­ takt gebracht sind, ist ein enger Spalt oder Zwischenraum zwischen dem betreffenden Abschnitt 44a bzw. 46a und dem Chip 16 festgelegt. Ein Umfangsabschnitt des Chips 16 ist durch die Abschnitte 44a und 46a verspannt. Die niedrig­ schmelzenden Metallteile 42, z.B. aus einer Blei-Zinnle­ gierung hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärme­ leitfähigkeit, sind jeweils zwischen den Chip 16, die Platte 18 und die Anodenelektrode 12 sowie zwischen den Chip 16, die Platte 20 und die Kathodenelektrode 14 ein­ gefügt. Die Metallteile 42 an Anoden- und Kathodenseiten stehen nicht in Kontakt miteinander. Bei der Herstellung der Schaltervorrichtung werden die Metallteile 42 ge­ schmolzen und zwischen die Elektroden 12 und 14 einge­ füllt bzw. eingegossen. Das Metallteil 42 füllt auch den engen Spalt zwischen der Platte 18 (20) und der Elektrode 12 (14) aus. In jeder Platte 18 und 20 ist eine Rille 28 ausgebildet. Eine in die Rillen 28 eingelegte Gateelek­ trodenleitung 38 ist mit dem (betreffenden) Chip 16 ver­ bunden. Die Längen der Leitungen 38 vom Chip 16 aus sind dabei jeweils wieder gleich groß eingestellt.

Wenn bei der beschriebenen Abwandlung ein Strom durch die Schaltervorrichtung 10 geleitet wird, entsteht in jedem Chip 16 Wärme, durch welche die niedrigschmelzen­ den Metallteile 42 geschmolzen werden. Beim Schmelzen der Metallteile 42 wird die vom Chip 16 erzeugte Wärme abge­ strahlt, wodurch der Wärmewiderstand zwischen dem Chip 16 und den Elektroden 12 und 14 beträchtlich herabge­ setzt wird. Außerdem leiten die AlN-Platten 18 und 20 die Wärme schnell vom Chip 16 zu den Elektroden 12 und 14 ab. Infolgedessen sind die Wärmeabstrahleigenschaften der Schaltervorrichtung 10 verbessert. Da die Metall­ teile 42 durch die erzeugte Wärme geschmolzen werden, wird auch die im Chip 16 induzierte Spannung verringert. Da die Platte 18 (20) einen nahezu dem Wärme­ dehnungskoeffizienten des Chips 16 entsprechenden Wärme­ dehnungskoeffizienten besitzt, kann die im Chip 16 indu­ zierte thermische Spannung bzw. Wärmespannung einfach verringert werden. Da weiterhin die Gateelektrodenleitungen 38 jeweils gleiche Länge besitzen, weichen die zeitlichen Verläufe der elektrischen Steuer-Signale nicht voneinander ab.

Infolgedessen kann auf diese Weise eine Hochleistungs- Schaltervorrichtung einer großen Kapazität realisiert werden. Da hierbei die in der Halbleiter-Schaltervorrich­ tung erzeugte Wärme zufriedenstellend oder ausreichend abgestrahlt wird, braucht die Schaltervorrichtung nicht mit einer Spann- oder Vorbelastungskraft beaufschlagt zu werden.

Im folgenden ist eine andere Abwandlung der ersten Aus­ führungsform anhand der Fig. 8 und 9 erläutert, die je­ weils einen Abschnitt dieser Abwandlung veranschaulichen, bei welcher die Anoden- und Kathodenelektroden 12 und 14 jeweils aus einer Kupferplatte oder -scheibe bestehen. In einer einem Chip 16 zugewandten Fläche der Elektrode 12 (14) ist eine Ausnehmung 54 ausgebildet, in welche eine AlN-Platte oder -Scheibe 56 eingesetzt ist. Eine dünne Kupferplatte oder -scheibe 58 ist die Elektrode 12 (14) und die AlN-Platte 56 bedeckend mit diesen Teilen verbunden. Hierbei wird eine Direktverbindungskupfer- Methode angewandt, um die AlN-Platte 56, die Elek­ trode 12 (14) und die Kupferplatte 58 fest miteinander zu verbinden. Bei Verwendung eines herkömmlichen großen Einzel-Chips besitzt die mit der AlN-Platte 56 zu ver­ bindende Kupferplatte 58 eine zweckmäßige Dicke von 0,03- 0,5 mm. Da ein kompakter Chip kaum einem Bruch unter­ liegt, kann der Chip jedoch auch dicker sein; eine zweck­ mäßige Dicke beträgt dabei 0,03-1,0 mm, vorzugsweise 0,2-0,4 mm. Die Kupferplatte 58 an der Anodenelektroden­ seite ist mit dem einen Ende des Chips 16 verlötet, wäh­ rend die Kupferplatte 58 an der Kathodenelektrodenseite an der anderen Seite des Chips 16 angelötet ist. In einen den Chip 16 zwischen den beiden Kupferplatten 58 umgeben­ den Abschnitt ist AlN-Pulver 60 eingefüllt. An jeden Chip 16 ist eine Gateelektrodenleitung 38 angeschlossen, wobei die Leitungen 38 wiederum jeweils gleiche Länge besitzen.

Bei der Schaltervorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau ist der Chip 16 mit der Kupferplatte 58 verschweißt und unter Zwischenfügung der Kupferplatte 58 dicht an der AlN-Platte 56 angeordnet. Die AlN-Platte 56 besitzt einen Wärmedehnungskoeffizienten, der nahezu demjenigen von Silizium, welches den Chip 16 bildet, entspricht. Der Chip 16 steht mit dem AlN-Pulver 60 in Kontakt, welches eine auftretende Kraft an seiner Außenfläche absor­ biert und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Infolge­ dessen wird vom Chip 16 erzeugte Wärme über das AlN-Pulver 60 schnell zur Kupferplatte 58 abgeleitet und abge­ strahlt. Außerdem wird die im Chip 16 induzierte Wärme­ spannung durch die AlN-Platte 56 und das AlN-Pulver 60 herabgesetzt. Da die Gateelektrodenleitungen 38 jeweils gleiche Länge aufweisen, sind die zeitlichen Verläufe von elek­ trischen Signalen jeweils gleich. Infolgedessen sind die Schalteigenschaften der Halbleiter-Schaltervorrichtung verbessert. Bei dieser Abwandlung mit einer großen Kapazität und hohen Leistung läßt sich die Leistungshalbleiter- Schaltervorrichtung ebenfalls ohne Ausübung einer Spann- oder Vorbelastungskraft auf den Chip herstellen.

Im folgenden ist eine dritte Abwandlung der ersten Aus­ führungsform anhand von Fig. 10 beschrieben, die einen Teil einer Schaltervorrichtung gemäß dieser Abwandlung zeigt. Dabei sind in Anoden- und Kathodenelektrode 12 bzw. 14 jeweils mehrere Hohlräume bzw. Ausnehmungen 61 ausgebildet, in welche jeweils eine Siliziumplatte oder -scheibe 62 eingesetzt ist, deren Breite größer ist als diejenige eines Chips 16 und die aus einem dem Silizium des Chips 16 identischen Werkstoff besteht. Der Halblei­ terschaltelement-Chip 16 ist mit den Elektroden 12 und 14 verschweißt. Zwischen den Elektroden 12 und 14 sind zwei Siliziumplatten oder -scheiben 66 angeordnet, die jeweils mit einer Siliziumoxidschicht 64 bedeckt oder überzogen sind und aus Silizium wie der Chip 16 bestehen. Die Siliziumplatten 66 stehen mit den Chip 16 in Kontakt. An jeden Chip 16 ist jeweils eine Gate­ elektrodenleitung 38 angeschlossen, wobei nicht mehr erwähnt werden muß, daß die Leitungen 38 jeweils gleiche Länge aufweisen.

Bei dieser Schaltervorrichtung befindet sich jeder Chip 16 unter Zwischenfügung der vergleichsweise dünnen Kupfer­ schicht 68 der Elektrode 12 (14) dicht neben der Silizium­ platte 62. Die Seitenflächen des Chips 16 sind den Sili­ ziumplatten 66 unter Zwischenfügung der Siliziumoxid­ schicht 64 benachbart angeordnet. Wenn dabei ein Strom durch die Schaltervorrichtung 10 geleitet wird, wird die im Chip 16 erzeugte Wärme von den verschweißten Flächen unmittelbar auf die Elektroden 12 und 14 abgeleitet. Außerdem erfolgt eine indirekte Wärmeableitung von den Seitenflächen des Chips 16 zu den Elektroden 12 und 14 über die Siliziumplatten 66. Durch letztere wird die im Chip 16 induzierte Wärmespannung verringert. Da auch die Längen der Gateelektrodenleitungen 38 jeweils gleich sind, sind die Verläufe der elektrischen Signale an den Chips jeweils gleich. Infolgedessen ist die Schalt­ charakteristik der Schaltervorrichtung verbessert. Als Ergebnis kann eine Halbleiter-Schaltervorrichtung einer großen Kapazität und einer hohen Leistung gemäß dieser Abwandlung ohne Ausübung einer Spann- oder Vorbelastungs­ kraft hergestellt werden.

In den Fig. 11 und 12 ist eine Leistungshalbleiter-Schal­ tervorrichtung 71 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltervorrichtung 71 umfaßt Anoden- und Kathodenelektroden 12 und 14 aus jeweils z.B. einer 10 mm dicken, einen Durchmesser von 90 mm aufweisenden scheibenförmigen Kupferplatte. Die Elektroden 12 und 14 sind einander mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber­ stehend angeordnet. Zwischen den Elektroden 12 und 14 sind zehn Halbleiterschaltelement-Chips 16, die auf einem Kreis auf gleiche Abstände verteilt sind, und um die Chips 16 herum angeordnete isolierende Kautschuk- oder Gummistücke 78 vorgesehen. Ein isolierendes Gehäuse 22 umschließt die Umfangsfläche der Schaltervorrichtung 71.

Der Aufbau dieser Schaltervorrichtung 71 ist nachstehend im einzelnen erläutert. Mehrere scheibenförmige Elemente, d.h. eine Aluminiumnitrid- bzw. AlN-Platte oder -Scheibe 70, die mit der Elektrode 12 in Kontakt steht, eine mit der Elektrode 14 in Kontakt stehende Aluminiumnitrid- bzw. AlN-Platte 72 sowie eine zwischen den AlN-Platten 70 und 72 befindliche Gateelektrodenplatte 74 sind im wesentlichen im Mittelbereich zwischen den Elektroden 12 und 14 angeordnet. In der Elektrode 12 ist eine Rille 30 ausgebildet, über welche eine Zuleitung 40 extern mit der Gateelektrodenplatte 74 verbunden ist. Zwischen den Um­ fangsabschnitten der Elektroden 12 und 14 befindet sich eine AlN-Platte oder -Scheibe 76. Das isolierende Gummi­ stück 78 befindet sich zwischen der AlN-Platte 76 und einem Satz aus den AlN-Platten 70 und 72 sowie der Elek­ trodenplatte 74. Gemäß Fig. 13 sind im isolierenden Gummi­ stück 78 zehn quadratische Ausnehmungen 82 einer Seiten­ länge von 10 mm ausgebildet. Die Bohrungen 82 sind auf einem Kreis in gleichen Abständen von der Elektroden­ platte 74 angeordnet. In jeder Bohrung 82 befindet sich ein Chip 16. Der Chip 16 besteht aus einem Tran­ sistor mit isolierter Gateelektrode, z.B. einem in einem Siliziumplättchen erzeugten MOSFET oder IGBT. Eine Molybdänplatte 34 steht in Kontakt mit dem Chip 16 und der Elektrode 12, während eine Molybdänplatte 36 mit dem Chip 16 und der Elektrode 14 in Kontakt steht. In der Elektrode 12 und der Molybdänplatte 34 ist eine zwischen jedem Chip 16 und der Gateelektrodenplatte 74 verlaufende Rille 80 ausgebildet. Über die Rille 80 ist eine Gate­ elektrodenleitung 38 zwischen die Platte 74 und jeden Chip 76 eingeschaltet. Die Leitungen 38 besitzen natürlich dabei jeweils gleiche Länge. Die Gesamtdicke der Molybdänplatten 34 und 36 sowie des Chips 16 ist geringfügig kleiner als die Dicke des Gummistücks 78.

Bei der beschriebenen Leistungshalbleiter-Schaltervor­ richtung werden die Elektroden 12 und 14 von außen her mit Spann- oder Vorbelastungskräften beaufschlagt, wo­ durch diese Elemente in Berührung bzw. Kontakt miteinander gebracht werden. Der Wärmedehnungskoeffizient der Platte 34 (36) entspricht nahezu demjenigen von Silizium. In­ folgedessen reduziert die Platte 34 (36) die in Durch­ messerrichtung des Chips 16 aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten von Elektrode 12 (14) und Chip 16 induzierte Wärmespannung. Der Wärmedehnungskoeffizient jeder AlN-Platte 70, 72 und 76 entspricht nahezu dem­ jenigen von Silizium, wodurch die in Durchmesserrichtung des Chips 16 induzierte Wärmespannung herabgesetzt wird.

Die AlN-Platten 70, 72 und 76 besitzen dabei jeweils Isolier­ eigenschaften und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Platten 70, 72 und 76 isolieren somit Anoden- und Kathoden­ elektrode 12 bzw. 14 gegeneinander, um damit gleichzeitig die zwischen den Außenflächen des Chips 16 und den (der) Elektroden 12 und 14 induzierten Wärmewiderstände zu verringern. Darüber hinaus verringern die Platten 70, 72 und 76 eine Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 14. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird die Temperatur der gesamten Schaltervorrichtung vergleichmäßigt.

Die Schaltervorrichtung 71 verwendet das isolierende Gummistück 78. Ohne Verwendung des Gummistücks 78 können jedoch die Abmessungen der umgebenden AlN-Platten ver­ größert werden. Bei der Schaltervorrichtung 71 werden die Elektroden 12 und 14 von außen her mit Spann- bzw. Vorbelastungskräften beaufschlagt. Beim Fehlen dieser Vorbelastungskräfte können jedoch Anoden- und Kathoden­ elektrode 12 bzw. 14 mit den Molybdänplatten 34 bzw. 36 verlötet werden. Wenn bei der Schaltungsvorrichtung 71 der Durchmesser der Gateelektrodenplatte 74 zur Ver­ kleinerung des Abstands zum Chip 16 vergrößert wird, wird die Wirkung der Wärmeabstrahlung vom Chip 16 verbessert, während außerdem der Effekt der Herabsetzung der darin induzierten Wärmespannung verbessert wird. Da die Gate­ elektrodenleitungen 38 jeweils wiederum gleiche Länge besitzen, sind die Verläufe von Strömen an den Chips jeweils gleich. Wenn daher der Abstand zwischen der Elektroden­ platte 74 und dem Chip 16 verkleinert wird, verkleinert sich auch die Länge der jeweiligen Leitung 38. In die­ sem Fall wird die Schaltcharakteristik der Schaltervorrichtung 71 weiter verbessert.

In den Fig. 14 und 15 ist eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform dargestellt, bei welcher eine Zuleitung 40 nicht mit dem Umfangsabschnitt, sondern mit dem Mittel­ bereich einer Gateelektrodenplatte 74 verbunden ist. Außerdem ist eine AlN-Platte 84 anstelle des isolieren­ den Gummistücks 78 vorgesehen. In der AlN-Platte 84 sind zehn quadratische Ausnehmungen bzw. Bohrungen 82 ausgebildet. In einer Anodenelektrode 12 ist eine Rille 86 für die Führung der Zuleitung 40 vorgesehen. Die anderen Bau­ elemente entsprechen im wesentlichen denjenigen bei der zweiten Ausführungsform.

Da bei dieser Abwandlung die Zuleitung 40 mit dem Zentrum der Gateelektrodenplatte 74 verbunden ist, sind die Ab­ stände zwischen dem Anschlußteil und den jeweiligen Chips 16 jeweils gleich groß. Infolgedessen können die An­ kunftszeiten der Ströme vom Anschlußteil an den Chips über die Gateelektrodenleitungen mit größerer Genauig­ keit einander angeglichen werden, so daß die Schalt­ charakteristik der Halbleiter-Schaltervorrichtung weiter verbessert ist.

Neben der beschriebenen Abwandlung sind verschiedene weitere Abwandlungen der zweiten Ausführungsform möglich. Beispielsweise kann anstelle der AlN-Platte Aluminiumoxid, pulverförmiges Aluminiumnitrid oder mit Siliziumoxid be­ schichtetes Silizium verwendet werden. Während bei der beschriebenen Ausführungsform die Chips in einer Kreis­ form bzw. auf einem Kreis angeordnet sind, können sie in einer beliebigen (geometrischen) Form angeordnet sein, solange sie symmetrisch zueinander angeordnet bzw. geschaltet sind. Wenn dabei die Gateelektrodenleitungen jeweils gleiche Länge besitzen, kann die Schaltcharakteri­ stik der Halbleiter-Schaltervorrichtung verbessert sein. Die Form der Gateelektrodenplatte ist nicht auf eine Scheibenform beschränkt, vielmehr kann diese Platte auch z.B. eine Sternform aufweisen.

Mit der zweiten Ausführungsform wird eine Halbleiter- Schaltervorrichtung einer großen Kapazität und einer hohen Leistung realisiert.

Im folgenden ist eine dritte Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung 100 anhand der Fig. 16 und 17 beschrieben. Die Schalter­ vorrichtung 100 umfaßt Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14. Die Elektrode 12 besteht aus einer mit einer Kupferfolie 102 bedeckten oder beschichteten Aluminium­ nitrid- bzw. AlN-Platte bzw. -Scheibe 101. Die Kupfer­ folie 100 ist dabei nach der genannten Direktverbindungs-Methode mit der AlN-Platte 101 verbunden. Ebenso besteht die Elektrode 14 aus einer mit einer Kupferfolie 106 beschichteten AlN-Platte oder -Scheibe 104, bei welcher die Kupferfolie 106 nach der erwähnten Methode mit der AlN-Platte 104 verbunden ist. Die Elektroden 12 und 14 sind einander mit einem vorbestimmten Zwischenraum oder Abstand gegen­ überstehend angeordnet. In einem zwischen den Elektroden 12 und 14 festgelegten Spalt bzw. Zwischenraum können zehn quadratische Halbleiterschaltelement-Chips 16 ange­ ordnet sein. An einem Umfangsabschnitt des Zwischenraums zwischen den Elektroden 12 und 14 der Schaltervorrichtung 100 befindet sich eine AlN-Platte 108. Mit jedem Chip 16 ist eine Gateelektrodenleitung 38 verbunden, wobei die Elektrodenleitungen 38 in einem zentralen Abschnitt oder Mittelbereich der Schaltervorrichtung 100 miteinander verbunden sind. Ein isolierendes Gehäuse 22 umschließt die Umfangsfläche der Schaltervorrichtung 100.

Die Schaltervorrichtung 100 ist nachstehend anhand der Fig. 17 und 18 näher erläutert. Jede Elektrode 12 und 14 weist einen mit einem betreffenden Chip 16 in Kontakt stehenden Fortsatz oder Vorsprung 109 auf. Die eine Dicke von 0,03-1,0 mm, vorzugsweise 0,2-0,4 mm besitzenden Kupferfolien 102 und 106 sind jeweils am Chip 16 ange­ lötet. In der Elektrode 12 (14) ist eine Rille 110 zur Aufnahme und Führung der Gateelektrodenleitung 38 ausge­ bildet. Zwischen den Umfangsabschnitten der Elektroden 12 und 14 ist ein Zwischenraum 112 zur Aufnahme der AlN- Platte 108 festgelegt. Jeder Chip 16 besitzt beispiels­ weise die Form einer quadratischen Platte oder Scheibe einer Seitenlänge von 10 mm. Die in die betreffenden Rillen 110 eingelegten Gateelektrodenleitungen 38 be­ sitzen, von den Chips 16 ausgehend, selbstverständlich jeweils gleiche Länge.

Bei der beschriebenen Leistungshalbleiter-Schaltervor­ richtung 100 entspricht der Wärmedehnungskoeffizient jeder AlN-Platte nahezu demjenigen des jeden Chip bil­ denden Siliziums. Wenn daher ein Strom durch die Schal­ tervorrichtung 100 geleitet wird, verringern die AlN- Platten 101, 104 und 108 eine aufgrund der in jedem Chip 16 erzeugten Wärme induzierte Spannung. Außerdem besitzen die Platten 101, 104 und 108 jeweils Isolier­ eigenschaften und hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Platten 101, 104 und 108 dienen somit zum Isolieren der Elek­ troden 12 und 14 gegeneinander und zur Verringerung der Wärmewiderstände zwischen dem Chip 16 und den Elektroden 12 und 14. Der Wärmedehnungskoeffizient von Kupfer ist größer als derjenige des jeden Chip 16 bildenden Sili­ ziums. Aus diesem Grund wird eine Verformung, die durch eine zwischen jedem Chip 16 und der Elektrode 12 (14) induzierte Wärmespannung aufgrund der im Chip 16 erzeugten Wärme hervorgerufen wird, durch die Kupferfolie 102 (106) der Elektrode 12 (14) absorbiert. Der Chip 16 selbst wird somit durch eine Verformung oder Beanspruchung nicht beeinträchtigt. Da die AlN-Platte 108 im Zwischenraum 112 zwischen den Elektroden 12 und 14 angeordnet ist, wird der Wärmewiderstand der Schaltervorrichtung ver­ ringert, während die elektrische Isolierung zwischen den Elektroden 12 und 14 sichergestellt ist. Aus diesem Grund kann die Temperatur der gesamten Schaltervorrichtung 100 praktisch vergleichmäßigt sein. Da die Gateelektrodenlei­ tungen 38 jeweils gleiche Längen aufweisen, kommen die Ströme vom Anschlußteil der Leitungen 38 praktisch zum gleichen Zeitpunkt an den Chips 16 an. Hierdurch wird natürlich wiederum die Schaltcharakteristik der Schaltervorrichtung verbessert. Da die Elektroden 12 und 14 an den Chips 16 angelötet sind, braucht zwischen ihnen keine Spann- oder Vorbela­ stungskraft ausgeübt zu werden. Hierdurch wird ein Bruch der Chips 16 vermieden, weil sie keiner derartigen Kraft unterworfen sind.

Fig. 19 veranschaulicht eine Abwandlung der dritten Aus­ führungsform, bei welcher Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14 jeweils aus Kupfer vorgesehen sind. In den Elektroden 12 und 14 sind Hohlräume bzw. Ausnehmungen 112 bzw. 114 ausgebildet, die jeweils mit einem niedrig­ schmelzenden Metall 116, z.B. einer Blei-Zinnlegierung hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeleit­ fähigkeit, ausgefüllt sind. Ein mit einem Chip 16 in Kon­ takt stehender Teil oder Abschnitt 118 der Elektrode 12 (14) ist als sehr dünne Kupferfolie ausgebildet. Die an­ deren Bauelemente entsprechen im wesentlichen denjenigen bei der oben beschriebenen dritten Ausführungsform.

Bei der Schaltungsvorrichtung gemäß der beschriebenen Ab­ wandlung wird die vom oder im Chip 16 erzeugte Wärme über die Kupferfolie auf das niedrigschmelzende Metall 116 ab­ geleitet, das unter dieser Wärme schmilzt. Da hierbei die Wärme vom Metall 116 absorbiert bzw. aufgenommen wird, können die Wärmeabstrahlungseigenschaften der Schalter­ vorrichtung weiter verbessert sein. Aufgrund dieses Merk­ mals wird die durch Wärme hervorgerufene Spannung oder Beanspruchung durch die Kupferfolien der Elektroden 12 und 14 herabgesetzt. Außerdem können die Wärmewiderstände zwischen dem Chip 16 und den Elektroden 12 und 14 der Schaltervorrichtung erheblich verringert sein.

In Fig. 20 ist eine andere Abwandlung der dritten Aus­ führungsform dargestellt, bei welcher eine Kupferfolie 102 der Anodenelektrode 12 und eine Kupferfolie 106 der Kathodenelektrode 14 nur auf den mit einem Chip 16 in Kontakt stehenden Flächen vorgesehen oder ausgebildet sind. Die Kupferfolien 102 und 106 sind nach der vorher beschriebenen Direktverbindungs-Methode mit AlN-Platten oder -Scheiben 101 bzw. 104 verbunden. Die anderen Bauteile entsprechen im wesentlichen denjenigen bei der dritten Ausführungs­ form.

Bei der Schaltervorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau kann eine elektrische Isolierung ohne weiteres erreicht werden, weil an den Außenflächen keine Kupferfolien vor­ gesehen sind. Da die AlN-Platte eine hohe Wärmeleitfähig­ keit besitzt, kann die in jedem Chip erzeugte Wärme zu­ friedenstellend von den AlN-Platten 101 und 104 der Elektroden 12 bzw. 14 abgestrahlt werden.

Bei der beschriebenen dritten Ausführungsform ist die Kupferfolie mit der betreffenden Elektrode verbunden. Beispielsweise kann jedoch auch ein anderer elektrisch leitfähiger Werkstoff, z.B. eine Aluminium- oder Molybdän­ folie, verwendet werden. Ein solcher elektrisch leit­ fähiger Werkstoff kann außerdem durch Ablagern oder Auf­ dampfen ausgebildet werden.

Im folgenden ist anhand von Fig. 21 eine vierte Ausfüh­ rungsform einer Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung 120 beschrieben, die Anoden- und Kathodenelektroden 12 und 14 aufweist. Die Elektrode 12 besteht aus einer mit einer Kupferfolie 122 belegten oder beschichteten Aluminium­ nitrid- bzw. AlN-Platte bzw. -Scheibe 121. Auf ähnliche Weise besteht die Elektrode 14 aus einer mit einer Kupfer­ folie 124 beschichteten AlN-Platte oder -Scheibe 123. Die Kupferfolien 122 und 124 sind nach der beschriebenen DBC- Methode mit den AlN-Platten 121 bzw. 123 verbunden. Die Elektroden 12 und 14 sind einander mit vorbestimmtem Abstand gegenüberstehend angeordnet. In einem Spalt oder Zwischenraum zwischen den Elektroden 12 und 14 ist ein quadratischer Halbleiterschaltelement-Chip 16 ange­ ordnet. Die Kupferfolien 122, 124, die an diesem Chip 16 angelötet sind, besitzen jeweils eine Dicke von 0,03-1,0 mm, vorzugsweise 0,2-0,4 mm. Jede Elektrode 12 und 14 weist einen mit dem Chip 16 in Kontakt stehenden Fortsatz oder Vorsprung 126 auf. In einem Umfangsbereich des Zwischenraums zwischen den Elek­ troden 12 und 14 ist eine AlN-Platte 125 angeordnet. Eine mit dem Chip 16 verbundene Gateelektroden­ leitung 38 ist in eine in den Elektroden 12 und 14 aus­ gebildete Rille eingelegt. Ein isolierendes Gehäuse 22 umschließt oder bedeckt die Umfangsfläche der Schalter­ vorrichtung 120.

Die beschriebene Leistungshalbleiter-Schaltervorrichtung 120 weist nur einen einzigen Chip 16 auf, der aus einem Transistor mit isolierter Gateelektrode besteht, z.B. einem in einem Siliziumplättchen erzeugten MOSFET oder IGBT. Wenn die Schaltervorrichtung 120 von einem Strom durchflossen wird, erzeugt der Chip 16 Wärme. Die einen Wärmedehnungskoeffizienten nahezu entsprechend demjenigen von Silizium aufweisenden AlN-Platten besitzen Isolier­ eigenschaften und gute Wärmeleitfähigkeit. Infolgedessen leiten die AlN-Platten 121, 123 die vom bzw. im Chip 16 erzeugte Wärme über die Kupferfolien 122, 124 ab, um eine Wärmespannung in Durchmesserrichtung zu verringern. Außerdem reduzieren die Platten 121, 123 einen Wärme­ widerstand zwischen der Außenfläche des Chips 16 und den Elektroden 12 und 14. Die AlN-Platte 125 strahlt die vom Chip 16 erzeugte Wärme unter Verringerung einer Wärmespannung in Durchmesserrichtung ab. Mit der beschrie­ benen Anordnung wird eine nur einen einzigen Halbleiter- Chip aufweisende Hochleistungs-Schaltervorrichtung reali­ siert. Da bei dieser Ausführungsform die Wärme über die Seitenfläche des Chips abgeleitet oder abgeführt wird, wird Wärme zufriedenstellend abgestrahlt, so daß eine im Chip induzierte Wärmespannung ohne weiteres verringert werden kann. Da der Chip an Anoden- und Kathodenelek­ troden angelötet ist, unterliegt er keinem Bruch aufgrund einer Spann- oder Vorbelastungskraft. Anstelle der AlN-Platte 125 kann auch z. B. pulverför­ miges Aluminiumnitrid verwendet werden. Hierdurch kann eine im Chip induzierte (oder erzeugte) Wärmespannung noch weiter verringert werden.

Fig. 22 zeigt eine Abwandlung der vierten Ausführungs­ form, bei welcher Anoden- und Kathodenelektroden 12 bzw. 14 unterschiedlicher Formen vorgesehen sind. Innerhalb der Anodenelektrode 12 befindet sich eine AlN-Platte oder -Scheibe 121, die mit einer Kupferfolie 122 bedeckt ist, welche ihrerseits nach der beschriebenen Direktverbindungs-Methode mit der Platte 121 verbunden ist. Im Inneren der Kathoden­ elektrode 14 befindet sich eine AlN-Platte oder -Scheibe 123, die mit einer Kupferfolie 124 bedeckt ist, welche ihrerseits nach der beschriebenen Direktverbindungs-Methode mit der Platte 123 verbunden ist. Zwischen den Elektroden 12 und 14 ist ein Chip 16 angeordnet, an den eine Gateelektroden­ leitung 38 angeschlossen ist. An einem mit dem Chip 16 in Kontakt zu bringenden Abschnitt der Elektrode 12 (14) ist ein Fortsatz oder Vorsprung 126 angeformt. Zwischen den Elektroden 12 und 14 ist um den Chip 16 herum ein Zwischenraum 112 festgelegt, in den eine AlN-Platte 125 eingesetzt ist. Die von jedem Chip 16 abgehende Gate­ elektrodenleitung 38 ist durch eine Bohrung in der Platte 125 hindurchgeführt.

Da bei der beschriebenen Schaltervorrichtung eine Ober­ fläche der nach außen freiliegenden Fläche der Elektrode groß ist, läßt sich ein elektrischer Anschluß von der Folie her einfach vornehmen.

Nachstehend ist schließlich anhand der Fig. 23 und 24 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Schal­ tervorrichtung 150 beschrieben, die Anoden- und Kathoden­ elektroden 152 bzw. 154 aufweist. Die Anodenelektrode 152 besteht aus einer AlN-Platte oder -Scheibe 156 und einer dünnen Kupferplatte oder -scheibe 158. Letztere ist nach der beschriebenen Direktverbindungs-Methode mit der AlN-Platte 156 ver­ bunden. Die Dicke der Kupferplatte 158 beträgt 0,03- 1,0 mm, vorzugsweise 0,2-0,4 mm. In der Elektrode 152 ist ein Hohlraum bzw. eine Ausnehmung ausgebildet, und in dieser Ausnehmung ist ein Teil der AlN-Platte 156 aus­ gespart, wobei ein Teil der Kupferplatte 158 nahe des ausgesparten Abschnitts unter Bildung eines Fortsatzes oder Vorsprungs 159 nach außen ragt. Die Kathodenelektrode 154 besteht aus einer AlN-Platte oder -Scheibe 160 und einer dünnen Kupferplatte oder -scheibe 162, wobei letztere nach der beschriebenen Methode mit der AlN-Platte 160 verbunden ist. Die Dicke der Kupferplatte 162 beträgt 0,03-1,0 mm, vorzugsweise 0,2-0,4 mm. In der Elektrode 154 ist eine Ausnehmung ausgebildet, in welcher ein Teil der AlN-Platte 160 aus­ gespart ist, wobei ein Teil oder Abschnitt der Kupfer­ platte 162 im Bereich des ausgesparten Abschnitts unter Bildung eines Vorsprungs 162 nach außen ragt. Zu den Vorsprüngen 159 und 163 hin offene Rohre oder Röhrchen 155 sind von außen her in die Elektroden 152 bzw. 154 eingesetzt. Nach außen offene Rohre oder Röhrchen 157 sind in die Seitenflächen der Elektroden 152 und 154 ein­ gesetzt. Mit den Rohren 155 und 157 ist eine Kühleinheit 153 verbunden, wobei die Hohlräume oder Ausnehmungen der Elektroden 152 und 154 mit einem isolierenden Kühlmittel, wie einer Freonlösung, gefüllt sind. Die Kühlmittellösung wird über eine Düse jedes Rohrs 155 in einen Innenabschnitt des Vorsprungs 159 (163) der be­ treffenden Kupferplatte 158 (162) eingeführt und an­ schließend über das jeweilige Rohr 157 abgeführt. Zwischen den Vorsprüngen 159 und 163 der Kupferplatten 158 bzw. 162 der Elektroden 152 bzw. 154 ist ein Halbleiter- Chip 16 angeordnet, der an den Vorsprüngen 159 und 163 der Platten 158 bzw. 162 angelötet ist und an den eine Gateelektrodenleitung 166 angeschlossen ist. Die Längen der einzelnen Leitungen 166 sind wie immer jeweils gleich groß, und die Leitungen 166 sind an einen Mittelbereich der Schaltervorrichtung 150 angeschlossen. An diesen An­ schlußteil ist eine nicht dargestellte, nach außen führen­ de Zuleitung angeschlossen. Ein isolierendes Gehäuse 168 bedeckt oder umschließt die Umfangsflächen der Elektroden 152 und 154.

Von der Kühleinheit 153 zugeführte Kühlmittellösung wird über die Düsen (Mundstücke) der Rohre 155 in die jeweiligen, mit dem Chip 16 in Kontakt stehenden Ausnehmungsab­ schnitte 159 und 163 der Kupferplatten 158 bzw. 162 ein­ gespritzt. Da hierbei die im Chip 16, wenn ein Strom die Schaltervorrichtung 150 durchfließt, erzeugte Wärme durch die genannte Kühlmittellösung aufgenommen wird, kann der Chip ausreichend gekühlt werden. Bei dieser Halbleiter- Schaltervorrichtung kann somit entweder die Stromkapazi­ tät des Chips entsprechend erhöht oder die Zahl der ver­ wendeten Chips vergrößert werden. Demzufolge läßt sich wieder eine Halbleiter-Schaltervorrichtung einer großen Kapazi­ tät realisieren.

Claims (16)

1. Leistungshalbleitervorrichtung, umfassend

• - eine als Wärmesumpf wirkende Anodenelektrode (12),
• - eine als Wärmesumpf wirkende Kathodenelektrode (14),
• - eine zwischen den Elektroden (12, 14) angeordneten Mehrzahl von Halbleiter-Chips (16), deren jeder in einer Bohrung (24, 26, 44, 46, 82) eines wärmeleitenden Körpers (18, 20, 60, 64, 66, 70, 72, 76, 84) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der die Chips (16) tragende Körper (18, 20, 60, 64, 66, 70, 72, 76, 84) aus Si oder AlN besteht und sowohl mit der Anodenelektrode (12) als auch mit der Kathodenelektrode (14) in Berührung steht, und daß in dem die Chips tragenden Körper (18, 20, 60, 64, 66, 70, 72, 76, 84) Gateelektrodenleitungen (38) vorgesehen sind, deren jede mit einem Chip (16) in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper aus zwei Platten (18, 20) besteht, von denen eine mit der Anodenelektrode (12) und die andere mit der Kathodenelektrode (14 in Kontakt steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper (60) ein einheitlicher Körper ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Bohrung (24, 26) zur Aufnahme eines Chips (16) eine mit der Anodenelektrode (12) und eine mit der Kathodenelektrode (14) in Kontakt stehende Molybdänplatte (34, 36) vorgesehen ist, zwischen denen jeweils ein Chip (16) angeordnet ist (Fig. 5).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bohrung (44, 46) zur Aufnahme eines Chips (16) eine den Chip (16 aufnehmende radiale Erweiterung aufweist und zwischen dem Chip (16) und der Anodenelektrode (12) und der Kathodenelektrode (14) niedrigschmelzendes Metall (42) eingefügt ist (Fig. 7).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jeder einen Chip aufnehmenden Bohrung in der Anodenelektrode (12) und in der Kathodenelektrode (14) eine Ausnehmung (54) gebildet ist, in die eine Platte (56) aus wärmeleitendem Material (AlN) eingesetzt ist und zwischen dieser Platte (56) und dem Chip eine Kupferplatte (58) angeordnet ist. (Fig. 9).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper mit dem Chip (16) in Kontakt stehende Siliziumplatten (66) umfaßt, deren jede einen Siliziumüberzug (64) aufweist, und daß im Bereich jeder Bohrung zur Aufnahme eines Chips (16) in der Anodenelektrode (12) und in der Kathodenelektrode (14) je eine Siliziumplatte (62) eingesetzt ist, zwischen welcher und dem Chip (16) sich eine Kupferschicht (68) befindet (Fig. 10).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den wärmeleitenden Körper (70, 72, 76) ein isolierendes Gummistück (78) eingesetzt ist, in welchem die Bohrungen (82) zur Aufnahme der Chips (16) gebildet sind (Fig. 12).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß radial einwärts des isolierenden Gummistücks (78) der wärmeleitende Körper eine mit der Anodenelektrode (12) und eine mit der Kathodenelektrode (14) in Kontakt stehende AlN-Platte (70, 72) aufweist, zwischen denen eine Gateelektrodenplatte (74) vorgesehen ist (Fig. 13).

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper (84) im Mittelbereich eine mit der Anodenelektrode (12) in Berührung stehende Platte (70), eine mit der Kathodenelektrode (14) in Berührung stehende Platte (72) und eine zwischen diesen Platten angeordnete Gateelektrodenplatte (74) aufweist (Fig. 15).

11. Leistungshalbleitervorrichtung, umfassend

• - eine als Wärmesumpf wirkende Anodenelektrode (12, 152),
• - eine als Wärmesumpf wirkende Kathodenelektrode (14, 154),
• - eine zwischen den Elektroden (12, 14, 152, 154) angeordnete Mehrzahl von Halbleiterchips (16) und
• - Gateelektrodenleitungen (38, 166), die mit den Chips verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (12, 152, 14, 154) im Abstand voneinander angeordnet sind und die Chips (16) zwischen Vorsprüngen (109, 159, 163) an der Anodenelektrode (12, 152) und an der Kathodenelektrode (14, 154) angeordnet sind, und daß jede Elektrode (12, 152, 14, 154) aus AlN (101, 156, 160) oder aus niedrigschmelzendem Metall (116) beispielsweise einer Blei-Zinn-Legierung besteht und mit Kupfer (102, 158, 162) überzogen ist, und zwischen Umfangsabschnitten der Elektroden (12, 152, 14, 154) eine AlN-Platte (108, 125, 168) angeordnet ist (Fig. 17, 22, 24).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferbeschichtung (102) nur an denjenigen Flächen der Elektroden (12, 14) gebildet ist, die sich mit den Chips (16) in Berührung befinden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips (16) mit der Kupferbeschichtung (102) der Elektroden (12, 14) verlötet sind.

14. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die AlN-Platte (156, 160) im Bereich jedes Chips (16) unterbrochen ist, die Kupferbeschichtung (158) in dem Chipbereich vorragt, um einen Vorsprung (159, 163) zu bilden, und daß ein Kühlmitteldurchgang (155) vorgesehen ist, der sich in dem Bereich jedes Chips (16) in die durch den Vorsprung (1 59, 163) gebildete Vertiefung öffnet.