DE2363725B2 - Halbleitergleichrichteranordnung - Google Patents

Description

Hie Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Trägerplatte zur Ableitung der Verlustwärme des Halbleiterelements beim Betrieb eine zum Isolierstoffkörper vergüeichsweise große Flächena :sdehnung aufweist, daß das Kontaktteil lose an der von der Trägerplatte abgewandten Stirnfläche des Isolierstoffkörpers anliegt, daß die zur Aufnahme des Halbleiterelemei.ts vorgesehene öffnung des Isolierstoffkörpers eine zur Führung des Ansatzes des Kontaktteils dienende, zum Kontaktteil gerichtete Ausbuchtung aufweist, Ausbuchtung aufweist, und daß der innerhalb der exzentrischen öffnung des Isoliemoffkörpers befindliche, aus Halbleiterelement und deren durch den Ansatz gebildeten Anschlußleiter bestehende Aufbau in einer Kunststoffmasse eingeschlossen ist.

An Hand der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In Fig. 1 ist im Schnitt eine mit einem Halbleiterelement und seinen Kontaktbauteilen versehene Hälfte eines zu einer Symmetrieebene spiegelbildlichen, erfindungsgemäßen Aufbaus dargestellt und F i g. 2 zeigt in Draufsicht eine auf einem Ausschnitt einer Trägerplatte erstellte Anordnung nach der Erfindung. Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Bei einer Ausführungsform gemäß der Darstellung in F i g. 1 weist ein flacher Isolierstoffkörper 1 eine zentrale Durchbohrung la zur Durchführung eines Bolzens oder einer Spindel und wenigstens zwei zu dieser Durchbohrung konzentrische, beispielsweise zylindrische öffnungen to zur Aufnahme je eines Halbleiterelements 4 und seiner Kontaktbauteile auf.

Der Isolierstoffkörper 1 kann beliebige Form haben, beispielsweise ringscheibenförmig ausgebildet sein, und besteht vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff. Er ist an einer Stirnseite vorteilhaft mittels Lötung mit einer Trägerplatte 2 von vergleichsweise großer Flächenausdehnung flachenhaft fest verbunden und zu diesem Zweck mit einer entsprechenden Metallisierung 3 versehen.

Die Trägerplatte 2 bildet zusammen mit dem Isolierstoffkörper 1 durch einseitige Abdeckung der öffnungen Ib je ein Gehäuse für je ein Halbleiterelement 4 und dient gleichzeitig als Stromleiter desselben. Dadurch entfällt der bei bekannten Anordnungen gegebene Wärmeübergang zwischen Trägerplatte des Halbleiterelements und zusätzlicher Kühlplatte. Die Trägerplatte 2 kann aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder aus einem anderen, hinreichend thermisch und elektrisch leitenden Metall oder aus Legierungen solcher Metalle bestehen. Ihre Dicke und ihre Fiächenausdehnung werden durch die Forderung nach ausreichender Ableitung der in den Halbleiterelementen beim Einsatz entstehenden Verlustwärme und durch die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials bestimmt. An der der Trägerplatte 2 gegenüberligenden Stirnseite des Isolierstoffkörpers 1 ist ein Kontaktteil 6 zur gemeinsamen Kontaktierung der oberen Kontaktelektroden der Halbleiterelemente 4 vorgesehen, das bedarfsweise gleichzeitig zur Kontaktierung mit einer weiteren, auf einer gemeinsamen Spindel anschließenden Anordnung dient.

Das Kontaktteil 6 ist im wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet, in Anpassung an den Isolierstoffkörper 1 und die Trägerplatte 2 mit einer zentralen Durchbohrung versehen und in seiner Flächenausdeh-ηηηκ rterienieen der Stirnfläche des Isolierstoffkörpers im Bereich zwischen den Öffnungen Xb angepaßt. Konzentrisch zu seiner zentralen Durchbohrung weist das Kontaktteil 6 je einen zungenförmigen Ansatz 7 zur weiteren Kontaktierung des jeweiligen Halbleiterelements auf, der aus einer bogenförmigen Ausbildung zum Ausgleich von Wärmedehnungen und einem in die zugeordnete öffnung 16 hineinragenden, den oberen Anschlußleiter des Halbleiterelements bildenden Kontaktabschnitt besteht.

Das Kontaktteil 6 ist aus Kupfer oder aus anderem elektrisch gut leitenden Material. Die Dicke wird durch die Forderung nach hinreichender Ableitung des geringen Anteils an Verlustwärme der Halbleiteranordnung bestimmt, der bei Befestigung eines Halbleiterelements auf einem thermisch gut leitenden Grundkörper und bei weiterer Kontaktierung mit einem draht- oder litzenförmigen Leiter als oberem Anschlußleiter des Elements über diesen abfließt.

Zur einwandfreien, flächenhaften Kontaktierung der oberen Elektrode der Halbleiterelemente, die beispielsweise aus Halbleiterscheibe und einer an jeder Seite derselben befestigten Kontaktscheibe bestehen, kann zusätzlich ein metallisches Kontaktstück 5 aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise aus Kupfer, vorgesehen sein. Es dient außerdem zur Verbesserung des thermischen Betriebsverhaltens und, bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, als Gewicht bei der Durchführung des Lötprozesses zur Kontaktierung des Halbleiterelements und ist zur Verbindung mit angrenzenden Kontaktbauteilen bedarfsweise entsprechend oberflächenbehandelt. Das Kontaktteil 6 liegt im übrigen lose an dem Isolierstoffkörper 1 an, so daß betriebsbedingte Wärmedehnungen der verschiedenen aneinandergrenzenden und/oder miteinander verbundenen Materialien oder Bauteile keinen unerwünschten Einfluß auf die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Anordnung haben.

Die Höhe des Isolierstoffkörpers richtet sich im wesentlichen nach dem Mindestabstand der Trägerplatten 2 von aufeinanderfolgenden Anordnungen zu^r Gewährleistung einer ausreichenden Selbstkühlung im Betrieb. Seine Wandstärke im Bereich der zentralen Durchbohrung Xa wird durch die gewünschte stirnseitige Kontaktfläche gegenüber der Trägerplatte der anschließenden Anordnung sowie durch die Forderung nach ausreichender Druckbelastbarkeit festgelegt, und seine Wandstärke im Bereich der öffnungen Xb wird durch fertigungstechnische Gesichtspunkte bestimmt.

Zum Schutz des Halbleiterelements in seinem einseitig offenen Gehäuse gegenüber schädlichen Einflüssen der Umgebung ist der in der öffnung Xb befindliche Aufbau in eine nicht dargestellte Kunststoffmasse eingeschlossen.

Bei der in F i g. 2 in Draufsicht gezeigten Ausführungsform mit einem Ausschnitt der Trägerplatte 2 ist der Isolierstoffkörper 1 annähernd rhombusförmig ausgebildet. Eine Spindel 8 ist durch die achsengleich angeordneten zentralen Durchbohrungen von Trägerplatte 2, Isolierstoffkörper 1 und Kontaktteil 6 geführt. Das letztere ist nur mit einem von zwei Ansätzen 7 dargestellt, um die besondere Ausgestaltung des Isolierstoffkörpers im Bereich der öffnungen Xb aufzuzeigen.

Die Öffnung Xb weist in ihrem Verlauf durch den Isolierstoffkörper t eine gleichmäßige, beispielsweise nutenförmige, zur Führung des Ansatzes 7 dienende, zum Kontaktteil 6 gerichtete Ausbuchtung Ic auf. In

der nicht abgedeckten öffnung \b der Darstellung in F i g. 2 ist das Kontaktstück 5 mit beispielsweise vierekkigem Querschnitt gezeigt.

Beispielsweise konnte bei erfindungsgemäßen Anordnungen mit Kühlplatten aus einer bekannten Aluminiumlegierung und mit einer Dicke von 1,5 mm gegenüber bekannten Halbleitergleichrichteranordnungen unter gleichen Voraussetzungen eine etwa um den Faktor 1,4 bis 1,5 höhere Strombelastbarkeit erzielt werden.

Der Isolierstoffkörper 1 kann im Bereich der öffnungen Ifc gegenüber dem zentralen Bereich stufenförmig abgesetzt ausgebildet sein und die Ausbuchtung Ic zur Aufnahme des Ansatzes 7 kann sich bis in den zentralen, zur Auflage des Kontaktteils 6 vorgesehenen Bereich erstrecken.

Das Kontaktstück 5 kann an seiner dem Ansatz 7 des Kontaktteils 6 zugewandten Fläche eine besondere, zur Führung des zur Kontaktierung vorgesehenen Teils des Ansatzes 7 dienende Ausbildung aufweisen, und das Kontaktteil 6 kann aus elastischem Leitermaterial bestehen.

Das Halbleiterelement kann auch unter Auslassung des Kontaktstücks 5 direkt mit dem entsprechend ausgebildeten Abschnitt des Ansatzes 7 des Kontaktteils 6 kontaktiert werden.

Erfindungsgemäße Halbleitergleichrichteranordnungen können in überraschend einfacher Weise hergestellt werden. Ein zur Erzielung von Trägerplatten 2 vorgesehener, bedarfsweise vorbehandelter Metallstreifen wird in einer durch Anzahl und Größe der gewünschten Gleichrichteranordnungen bestimmten Teilung mit Durchbohrungen versehen. An jeder Durchbohrung wird in übereinstimmender Anordnung derselben mit dessen zentraler Durchbohrung la ein Isolier-Stoffkörper 1 mit seiner metallisierten Fläche auf den Metallstreifen aufgelegt. Danach wird in jeder exzentrischen öffnung Ib des Isolierstoffkörpers ein aus Halbleiterelement 4 und Kontaktstück 5 gebildeter, auf dem Metallstreifen aufliegender Stapel gebildet und durch auf die Mittelachse der Durchbohrung des Metallstreifens bezogene Anordnung des Kontaktteil 6 mittels dessen Ansatz 7 fixiert.

In einem anschließenden Verfahrensschritt werden beispielsweise im Durchlaufofen durch Löten gleichzeitig sämtliche Bauteile an jeweils entsprechenden Stellen zu einer Baueinheit verbunden. Im Verlauf der Abkühlung des Aufbaus nach dem Lötprozeß wird jede öffnung \b mit einer Kunststoffmasse gefüllt, um das Halbleiterelement und seinen oberen Anschlußleiter einzuschließen. Nach dem Aushärten der Gießmasse kann der Metallstreifen in Baugrößen mit einer oder mehreren Baueinheiten zerteilt werden.

Der Zusammenbau erfindungsgemäßer Gleichrichteranordnungen zu Gleichrichtereinheiten erfolgt in einfacher Weise durch Aufreihen zusammen mit Abstandsstücken und Anschlußbauteilen auf wenigstens einer Spindel in einer durch die gewünschte Schaltung bestimmten Zuordnung und durch entsprechende äußere Verbindungen unabhängig von der Anzahl der aufgereihten Anordnungen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichteranordnung bestehen auf Grund direkter Befestigung des Halbleiterelements auf einem Kühlbauteil in einem verbesserten thermischen Betriebsverhalten und in einem wirtschaftlicheren Zusammenbau mehrerer Anordnungen zu einer gewünschten Gleichrichterschaltung sowie darin, daß im Vergleich zu bekannten Bauformen eine geringere Anzahl von teilweise einfacheren Bauteilen erforderlich ist, und daß das Halbleiterelement gleichzeitig mit allen anderen Bauteilen in einem Verfahrensschritt kontaktiert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Halbleitergleichrichteranordnung, bei welcher eine metallische Trägerplatte, ein flacher Isolier-Stoffkörper und ein plattenförmiges, metallisches Kontaktteil, jeweils an einer zentralen Durchbohrung übereinstimmend, gestapelt sind, bei welcher wenigstens ein auf der Trägerplatte befestigtes und mit dem Kontaktteil verbundenes Halbleiterelement innerhalb einer zur Achse der zentralen Durchbohrung exzentrisch liegenden, durchgehenden öffnung des zwischen Kontaktteil und Trägerplatte befindlichen Isolierstoffkörpers angeordnet ist, und bei der das Kontaktteil mit einem sich in die exzentrische öffnung erstreckenden, als ein Anschlußleiter des Halbleiterelements vorgesehenen Ansatz versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) zur Ableitung der Verlustwärme des Halbleiterelements (4) beim Betrieb eine zum Isolierstoffkörper (1) vergleichsweise große Flächenausdehnung aufweist, daß das Kontaktteil (6) lose an der von der Trägerplatte (2) abgewandten Stirnfläche des Isolierstoffkörpers (1) anliegt, daß die zur Aufnahme des Halbleiterelements (4) vorgesehene öffnung (16) des Isolierstoffkörpers (1) eine zur Führung des Ansatzes (7) des Kontaktteils (6) dienende, zum Kontaktteil (6) gerichtete Ausbuchtung (Ic) aufweist und daß der innerhalb der exzentrischen öffnung (ib) des Isolier-Stoffkörpers (1) befindliche, aus Halbleiterelement (4) und deren durch den Ansatz (7) gebildeten Anschlußleiter bestehende Aufbau in einer Kunststoffmasse eingeschlossen ist.

2. Halbleitergleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht und einen Nickelüberzug aufweist.

3. Halbleitergleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) zwei oder mehr zur Anordnung je eines Isolierstoffkörpers (1) und eines Kontaktteils (6) dienende Durchbohrungen aufweist.

4. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffkörper (1) aus Keramik oder Kunststoff besteht und an seiner zur Verbindung mit der Trägerplatte (2) vorgesehenen Fläche (3) mit einer Metallisierung (3) Versehens ist.

5. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterelement (4) und dem Ansatz (7) des Kontaktteils (6) ein die Kontaktierung des Halbleiterelements (4) beim Lötprozeß begünstigendes Kontaktstück (5) angeordnet ist.

6. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinstimmenden Durchbohrungen von Trägerplatte (2), Isolierstoffkörper (i) und Kontaktteil (6) vieleckig ausgebildet sind.

7. Halbleitergleichrichtereinheit mit Halbleitergleichrichteranordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Halbleitergleichrichteranordnungen in einer durch die gewünschte Schaltung bestimmten, ge- ⁶S genseitigen Zuordnung auf wenigstens einer Spindel (8) aufgereiht und kontaktiert sind.

Die Erfindung betrifft eine Halbleitergleichrichteranordnung, bei welcher eine metallische Trägerplatte, ein flacher Isolierstoffkörper und ein plattenförmiges, metallisches Kontaktteil, jeweils an einer zentralen Durchbohrung übereinstimmend, gestapelt sind, bei --veicher wenigstens ein auf der Trägerplatte befestigtes und mit dem Kontaktteil verbundenes Halbleiterelement innerhalb einer zur Achse der zentralen Durchbohrung exzentrisch liegenden, durchgehenden öffnung des zwischen Kontaktteil und Trägerplatte befindlichen Isolierstoffkörpers angeordnet ist, und bei der das Kontaktteil mit einem sich in die exzentrische öffnung erstreckenden, als ein Anschlußleiter des Halbleiterelements vorgesehenen Ansatz versehen ist.

Bekannte Halbleitergleichrichteranordnungen weisen ringförmige Halbleiterbauelemente auf, die flächenhaft zwischen plattenförmigen, vorzugsweise gleichzeitig zur Stromleitung dienenden Kühlbauteilen angeordnet sind. Diese Halbleiterbauelemente bestehen aus einem ringförmigen Keramikkörper, aus an dessen Stirnseiten mit diesem fest verbundenen metallischen Deckplatten mit zentraler Aussparung und aus wenigstens einem Halbleiterelement, die in einer exzentrisch angeordneten, axialen Durchbohrung des Keramikkörpers auf der Innenseite der einen Deckplatte befestigt und mit ihrer weiteren Elektrode mit der anderen Deckplatte kontaktiert ist. Durch Aufreihung solcher auch als Siliziumringgleichrichter bezeichneten Halbleiterbauelemente und der Kühlbauteile auf einer Spindel können gewünschte Halbleitergleichrichteranordnungen erzielt werden.

Aus der US-Patentschrift 32 90 566 und aus der deutschen Auslegeschrift 12 59 470 sind derartige Siliziumringgleichrichter bekanntgeworden. Diese bekannten Ausführungsformen erfordern jedoch zur einwandfreien Ableitung der in ihnen beim Einsatz entstehenden Verlustwärme eine besondere Bearbeitung der äußeren Kontaktfläche der Deckplatten zur Anlage an den Kühlbauteilen, sowie eine weitgehend planparallele Anordnung dieser Kontaktflächen zur zentrischen Verspannung aller Bauteile auf der Gewindespindel. Weiterhin ist der Zusammenbau von Keramikkörper, Deckplatten und Halbleiterelement nicht in gewünschtem Maß wirtschaftlich, und schließlich ist für Gleichrichierschaltungen mit einer durch Parallelschaltung solcher Ringgleichrichter erzielten höheren Strombelastbarkeit ein beträchtlicher, vielfach unwirtschaftlicher Aufwand an Bauteilen und Platzbedarf erforderlich.

Entsprechende Ausführungsformen sind in der französischen Patentschrift 13 70 304 beschrieben, wobei der zwischen den beiden Deckplatten befindliche, mit Aussparungen zur Aufnahme von Halbleiterelementen versehene Körper aus wenigstens einer mittleren Schicht aus Isoliermaterial und aus je einer äußeren metallischen Schicht zur dichten Verbindung mit den Deckplatten bestehen soll. Auch diese bekannten Anordnungen zeigen die vorstehend genannten Nachteile.

Die Erfindung bezieht sich auf solche zur Aufreihung auf einer Spindel vorgesehene Halbleitergleichrichteranordnungen.

Es lag die Aufgabe zugrunde, derartige Halbleitergleichrichteranordnungen mit einem Aufbau zu schaffen, bei dem einfachere Bauteile ohne aufwendige Vorbehandlung besonders rationell zusammengebaut werden können, und der eine weniger aufwendige Herstellung von Gleichrichterschaltungen mit gewünschter Strombelastbarkeit ermöglicht.