DE10132169A1 - Halbleitermodul - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit Gehäuse (1), einem Kontaktstück (3), Innen- und Außenanschlüsse (5) und mindestens zwei eingespannten Scheibenzellenbauelemente (2). Das erfindungsgemäße Halbleitermodul ermöglicht insbesondere die Realisierung von Antiparallelschaltungen von Thyristoren, Parallel- und Antiparallelschaltungen von asymmetrischen Schaltern und Freilaufdioden und Halbbrücken.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit Gehäuse und eingespanntem Scheibenzellenbauelement gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Die Halbleitermodule gemäss dem Stand der Technik weisen ein Scheibenzellenbauelement, d. h. ein scheibenförmiges Halbleiterbaulelement (Pellet), auf und sind in der Regel von einem in der Regel isolierenden Gehäuse umgeben. Sie weisen außerdem Kontaktstücke sowie Innen- und Außenanschlüsse auf. Um Halbleitermodule mit besonders hoher Sperrfähigkeit bereitzustellen, d. h. > 10 kV, werden üblicherweise mehrere diskrete Halbleitermodule in Reihe geschaltet. Alternativ werden besondere Spezialkeramiken zur Integration mehrerer Siliziumscheiben in ein Gehäuse verwendet. Der diesbezügliche Stand der Technik ist allgemein bekannt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleitermodul mit Scheibenzellenbauelement und Gehäuse der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass neben einer großen Sperrfähigkeit sowie einer kostengünstigen Fertigung auch alternative Schaltungsmöglichkeiten, beispielsweise Antiparallelschaltungen, mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar sind.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Halbleitermoduls gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen aufgeführt. Das erfindungsgemäße Halbleitermodul zeichnet sich dadurch aus, dass in einem entsprechenden Gehäuse mindestens zwei, insbesondere genau zwei, Scheibenzellenbauelemente eingespannt sind. Zur Kostenoptimierung bietet es sich insbesondere an Standardelemente einzusetzen.
• Das Gehäuse ist in der Regel isolierend und besteht vorzugsweise aus Keramik oder Epoxid. Es kann einstückig oder aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sein.
• Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei distinkte Gehäuseteile, vorzugsweise aus Keramik, mit einem gemeinsamen Mittelkontaktstück, beispielsweise aus Kupfer zu einem einzigen Gesamtgehäuse verbunden (verschweißt), wobei in beiden Gehäuseteilen jeweils ein Scheibenzellenbauelement eingespannt ist. Oberhalb des ersten und unterhalb des zweiten Scheibenzellenbauelements ist außerdem je ein weiteres Kontaktstück vorgesehen, so dass beide Oberflächen der beiden Scheibenzellenbauelemente jeweils mit einem Kontaktstück als Abstandhalter ausgestattet sind.
• Um besonders hohe Lastströme, beispielweise von mehreren tausend Ampere, über den Mittelabgriff abführen zu können, wird das Mittelkontaktstück entsprechend massiv ausgelegt. Außerdem wird das Mittelkontaktstück vorzugsweise nach außen geführt, um so Beschaltungen an ihm anbringen zu können.
• Gemäss einer alternativen Ausführungsform werden in einem einzigen (einstückigen) Gehäuse zwei Scheibenzellenbauelemente eingespannt und mit zwei Kontaktstücken als Abstandshalter zwischen den Pellets ausgestattet. Außerdem ist jeweils eine Leitermembran, beispielsweise aus Kupfer, auf den freiliegenden Außenflächen der Kontaktplatte und des Scheibenzellenbauelements als Außenanschlüsse vorgesehen.
• Die Scheibenzellenbauelemente, welche in die erfindungsgemäße Gehäusebauform eingebaut werden, sind vorzugsweise Standardelemente und schließen insbesondere Dioden, Thyristoren, sowie abschaltbare Bauelemente einschließlich ScheibenzellenIGBT oder GTO oder GCT ein.
• Durch die Verwendung von Standardelementen können einerseits hohe Sperrspannungen eines Bauelements erzielt werden, wodurch sich Kosten- und Anwendungsvorteile ergeben. Andererseits eröffnen sich dadurch weitere interessante Schaltungsvarianten. Gemäss einer Ausführungsform sind mindestens zwei integrierte Halbleiterbauelemente in Reihe geschaltet.
• Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird eine Gegeneinanderschaltung der Halbleiterbauelemente realisiert. Insbesondere können Antiparallelschaltungen von Thyristoren, Parallel- und Antiparallelschaltungen von asymmetrischen Schalter und Freilaufdioden und Halbbrücken bereitgestellt werden. Dabei kann eine Verbindung zwischen dem oberen und unteren Kontakt notwendig sein. Beispielhafte Schaltungsmöglichkeiten sind zwei in Serie oder Antiserie geschaltete Dioden, zwei antiparallel geschaltete Dioden oder Halbleiterschalter (Thyristoren, GTOs, MOSFETs etc.); zwei parallel geschaltete Halbleiterschalter; eine Halbbrücke mit Halbleiterschaltern; ein Halbleiterschalter mit Freilaufdiode und so weiter.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 zeigt einen Seiten- und Drauf-Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Tandembauelements.
• Fig. 2 zeigt einen Seiten- und Drauf-Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Tandemdiode mit Epoxygehäuse.
• Fig. 3 zeigt einen Seiten- und Drauf-Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Tandemdiode mit Keramikgehäuse.
• Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, in welcher das mittlere Kontaktstück 3b mit den diskreten Gehäuseteilen 1a und 1b verschweißt ist. In beiden Gehäuseteilen 1a und 1b ist je ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement (Pellet) 2 eingespannt. Damit sind insgesamt zwei Halbleiterbauelemente 2 von einem isolierenden Gesamtgehäuse umgeben. An den äußeren Oberflächen der beiden Pellets ist je ein weiteres Kontaktstück 3a und 3c als Abstandshalter vorgesehen. Neben einer optimalen Wärmeabführung und Wärmeaufnahme (Wärmekapazität)gewährleisten die insgesamt 3 Kontaktstücke 3a, 3b und 3c eine weitgehende Immobilisierung der Halbleiterbauelemente 2 und erhöhen so deren Stabilität mit Blick auf zerstörerischen Schwingungen. Das mittlere Kontaktstück 3b ist besonders massiv ausgelegt, um so Lastströme von mehreren tausend Ampere über den Mittelabgriff 4 bequem abführen zu können. In der Mitte des Gehäuses ragt das Anschlussstück 5 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung heraus.
• Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, in welcher zwei Halbleiterbauelemente (Pellets) 2, in einem isolierenden Gesamtgehäuse 1 aus Epoxid-Kunststoff eingespannt sind. Zwischen den beiden Pellets sind insgesamt zwei Kontaktstücke 3d, 3e vorgesehen, welche als Abstandshalter fungieren. Die insgesamt 2 Kontaktstücke 3d und 3e gewährleisten wiederum eine hervorragende Wärmeabführung (und/oder Wärmeaufnahme) und immobilisieren die Halbleiterbauelemente 2. Die Siliziumscheiben 2 sind jeweils durch einen Silikonrandumguss 6 in dem Epoxygehäuse 1 zentriert. Als Außenanschlüsse sind die Leitermembranen 7 aus Kupfer auf den jeweils freiliegenden Außenflächen 8 der Kontaktplatte 3d und des unteren Scheibenzellenbauelements 2 vorgesehen. Außerdem kann ein Mittelabgriff mittels Gehäusedurchführung und Kontakt an dem Kontaktstück 3e zum Zwecke der Beschaltung vorgesehen werden.
• Die Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 ähnliche Ausführungsform, in welcher zwei Halbleiterbauelemente (pellets) 2, in einem isolierenden Gesamtgehäuse aus Keramik 1 eingespannt sind. Zwischen den beiden Pellets sind insgesamt zwei Kontaktstücke 3d, 3e vorgesehen, welche als Abstandshalter fungieren. Die insgesamt 2 Kontaktstücke 3d und 3e gewährleisten wiederum eine hervorragende Wärmeabführung und immobilisieren die Halbleiterbauelemente 2. Die Siliziumscheiben 2 sind durch einen Silikonrandumguss 6 in dem Keramikgehäuse 1 zentriert.
• Als Außenanschlüsse sind die Leitermembranen 7 aus Kupfer auf den jeweils freiliegenden Außenflächen 8 der Kontaktplatte 3d und des unteren Scheibenzellenbauelements 2 vorgesehen. Außerdem kann wiederum ein Mittelabgriff mittels Gehäusedurchführung und Kontakt an dem Kontaktstück 3e zum Zwecke der Beschaltung vorgesehen werden

Claims (14)

1. Halbleitermodul mit Gehäuse (1), eingespanntem Scheibenzellenbauelement (2), Kontaktstück (3), Innen- und Außenanschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Scheibenzellenbauelemente (2) in das Gehäuse (1) eingespannt sind.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Scheibenzellenbauelemente (2) in das Gehäuse (1) eingespannt sind.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gehäuseteile (1a, 1b) mit einem gemeinsamen Mittelkontaktstück (3b) zu einem Gesamtgehäuse (1) verbunden sind und in beiden Gehäuseteilen (1a, 1b) jeweils ein Scheibenzellenbauelement (2) eingespannt ist.

4. Halbleitermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des ersten und unterhalb des zweiten Scheibenzellenbauelement (2) je ein weiteres Kontaktstück (3a, 3c) vorgesehen ist.

5. Halbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelkontaktstück (3b) derart massiv vorgesehen ist, dass Lastströme von mehreren tausend Ampere über den Mittelabgriff (4) geführt werden können.

6. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelkontaktstück (3b) nach außen geführt ist und Beschaltungen an ihm angebracht sind.

7. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (1) zwei Scheibenzellenbauelemente (2) eingespannt und mit zwei Kontaktstücken (3d, 3e) als Abstandshaltern zwischen den Pellets ausgestattet ist, wobei als Außenanschlüsse eine Leitermembran (7) auf den jeweils freiliegenden Außenflächen (8) der Kontaktplatte und des Scheibenzellenbauelements (2) vorgesehen ist.

8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenzellenbauelemente (2) Dioden, Thyristoren sowie abschaltbare Bauelemente einschließlich Scheibenzellen-IGBT oder GTO oder GCT sind.

9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dioden in Serie geschaltet sind.

10. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dioden in Antiserie geschaltet sind.

11. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dioden oder zwei Halbleiterschalter antiparallel geschaltet sind.

12. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbleiterschalter parallel geschaltet sind.

13. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbleiterschalter eine Halbbrücke bildend verschaltet sind.

14. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterschalter mit einer Freilaufdiode verschaltet ist.