DE4443611A1 - Gate-Anschlußsystem für einen unter Druck zusammengebauten Hochleistungs-Thyristor mit Gate-Mittelelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs-Thyristor, der unter Druck zusammengebaut ist, und insbesondere auf ein neuartiges federvorgespanntes Gate-Mittelelektroden-Leitungs­ anschlußsystem für derartige Bauteile.

Unter Druckausübung zusammengebaute Gehäuse für Hochleistungs- Halbleiterbauteile sind gut bekannt und umfassen allgemein zwei aus massivem Kupfer bestehende Polstücke, die koaxial an den gegenüberliegenden Enden eines Keramik-Stützzylinders befestigt sind und in den Zylinder vorspringen. Ein Halbleiterplättchen, in dem die erforderlichen P-N-Grenzschichten ausgebildet sind, um einen Thyristor zu bilden, wird dann an seinem Platz zwischen den gegenüberliegenden ebenen parallelen Innenoberflächen der jeweiligen Polstücke befestigt. Dieses Halbleiterplättchen wird üblicherweise als "Grenzschichtelement" bezeichnet. Das Grenz­ schichtelement weist Hauptelektroden auf seinen gegenüberliegen­ den Oberflächen auf, und diese stehen unter hohem Druck mit den jeweiligen Polstücken in Eingriff, wenn sie unter Klemmdruck gesetzt werden.

Die Gate- oder Steuerelektrode für den Thyristor befindet sich üblicherweise am Mittelpunkt der Oberseite des Halbleiter­ plättchens oder des Grenzschichtelementes. Daher muß eine Gate-Leitung während des Zusammenbaus des Gehäuses an der Gate- Mittelelektrode sowie an einem Gate-Anschußstift befestigt werden, der sich durch den Keramik-Isolator erstreckt. Derartige Gate-Leitungen können während des Zusammenbaus brechen oder einen schlechten Kontakt mit der Mittelelektrode oder dem Stift des Grenzschichtelementes ergeben. Der Zusammenbauvorgang ist daher schwierig und die Gate-Verbindung ist unzuverlässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs- Thyristor und eine Gate-Mittelelektroden-Leitungsanschlußsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Zusammenbau einen zuverlässigen Kontakt ohne Gefahr eines Bruches der Leitung ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird ein neuartiges federvorgespanntes Kontaktsystem zur Herstellung eines Kontaktes mit der Gate- Mittelelektrode eines Thyristor-Grenzschichtelementes ge­ schaffen. Das Kontaktsystem ist vollständig in dem oberen Polstück gehaltert und weist ein freies Kontaktende auf, das mit dem inneren Ende eines Gateanschlußstiftes verbunden wird, bevor die Polstücke und der Stützzylinder aneinander befestigt werden.

Der Gate-Kontakt umfaßt einen Isolierzylinder, der in einer Öffnung des oberen Polstückes befestigt ist. Ein Federstößel ist beweglich in dem Zylinder befestigt, und eine Druckfeder drückt den Stößel von dem Polstück fort und in Richtung auf das Grenz­ schichtelement oder das Halbleiterplättchen. Der Leitungsdraht erstreckt sich durch eine Öffnung entlang der Achse des Stößels und endet an einem Ende in einer vergrößerten Kontaktscheibe, die zwischen dem äußeren Ende des Stößels und der Gate-Mittel­ elektrode auf dem Grenzschichtelement oder dem Halbleiter­ plättchen zusammengedrückt wird. Die Gate-Leitung erstreckt sich dann entlang eines Schlitzes in dem oberen Polstück und endet in einem Anschlußstück, das leicht mit dem innenliegenden Ende des Gate-Anschlußstiftes verbindbar ist, der sich durch die Wand des Keramik-Isolators erstreckt.

Die neuartige Gate-Leitungsstruktur ist vollständig in dem oberen Polstück gehaltert und ermöglicht einen einfachen Zusammenbau der Polstücke, des Keramik-Isolators und des Grenzschichtelementes oder Halbleiterplättchens in einer zuverlässigen Weise, und sie stellt einen guten Kontakt mit der Gate-Elektrode des Grenzschichtelementes sicher, wenn die Polstücke zusammengebaut sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsform eines typi­ schen, unter Druck zusammengebauten Thyristors, der eine Ausführungsform des neuartigen Gatekontaktes verwenden kann,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Bauteil nach Fig. 1,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Bauteils nach den Fig. 1 und 2 unter Verwendung der Aus­ führungsform der Gate-Leitungsanordnung, jedoch ohne daß sich die Polstücke an ihrem Platz befinden,

Fig. 4 eine Seitenansicht des oberen Polstückes nach den Fig. 1, 2 und 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Fig. 4 entlang der Schnittlinie 6-6 in Fig. 4,

Fig. 7 eine Draufsicht auf das Isoliergehäuse der Gate- Leitungsanordnung,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht der Fig. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 in Fig. 7,

Fig. 9 die Gate-Leitung und ihren vergrößerten Kontakt­ kopf für die Gate-Leitungsanordnung,

Fig. 10 die zusammengebaute Gate-Leitungsanordnung,

Fig. 11 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Gate- Leitungsanordnung nach dem Zusammenbau in dem unter Druck zusammengebauten Gehäuse.

Wenn zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen wird, so ist aus diesen Figuren einer Ausführungsform eines typischen unter Druck zusammengebauten Leistungshalbleiterbauteils zu erkennen, wobei dieses Bauteil ein oberes aus Kupfer bestehendes Polstück 20, ein unteres aus Kupfer bestehendes Polstück 21 (Fig. 1) und einen Keramik-Isolator 22 (Fig. 1) aufweist, der die beiden Polstücke 20 und 21 aufnimmt. Die oberen und unteren Oberflächen der Polstücke 20 und 21 sind eben und parallel und sie sind zwischen (nicht gezeigten) Gehäuse-Kühlkörpern befestigt, die die Polstücke mit Hilfe üblicher Einrichtungen gegeneinander pressen.

Das untere Polstück 21 weist einen Kupferflansch 19 (Fig. 11) auf, über den es mit der Unterseite des Isolators 22 verbunden ist. Die Oberseite des Isolators 22 weist einen Flansch 23 (Fig. 1, 2 und 11) auf. Das obere Polstück 20 weist einen Befestigungsflansch 24 auf, der mit dem Flansch 23 verschweißt wird, um das Halbleitergehäuse zusammenzubauen und um das Innere des Gehäuses abzudichten. Ein Gate-Anschlußstift 25 erstreckt sich durch den Keramik-Isolator (22) und kann mit der Gate- Elektrode eines Grenzschichtelementes oder Halbleiterplättchens verbunden werden, das im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Der Gate-Anschlußstift 25 muß mit der Gate-Elektrode des Grenz­ schichtelementes oder Halbleiterplättchens verbunden werden, bevor das Gehäuse an den Flanschen 23 und 24 abgedichtet wird.

Der Gehäuseumriß nach den Fig. 1 und 2 ist typisch für eine Anzahl von unterschiedlichen Gehäuseumrissen, die bei der vor­ liegenden Erfindung verwendet werden können.

Die Fig. 3 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische An­ sicht des Gehäuses nach den Fig. 1, 2 und 11 (ohne die Pol­ stücke) und zeigt die Verwendung eines Grenzschichtelementes 20 mit einer Gate-Mittelelektrode 31. Es sei bemerkt, daß das Grenzschichtelement irgendeine Art von Halbleiterbauteil bilden kann, daß es jedoch typischerweise ein Thyristor ist. Eine Silberscheibe 32 (Fig. 3 und 11) ist oberhalb der oberen Haupt­ elektrode des Grenzschichtelementes 31 (Fig. 11) angeordnet. Die Scheibe 32 weist eine ausreichend große Öffnung 33 auf, um einen Kontakt mit der Gate-Mittelelektrode des Grenzschicht­ elementes 30 zu verhindern. Eine Molybdän-Scheibe 35 mit einer Öffnung 36 ist oberhalb der Silberscheibe 32 angeordnet.

Ein aus geformtem Silikon bestehendes Lagefestlegungselement 40 für das Grenzschichtelement (Fig. 3 und 11) umschließt das Grenzschichtelement 30, die Scheiben 32 und 35 und das untere Ende des Polstückes 20, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, um die Lage des Grenzschichtelementes bezüglich des Polstückes 20 und des Isolators 22 festzulegen und um das Grenzschicht­ element an einer freien Bewegung in dem Gehäuse zu hindern. Fig. 3 zeigt weiterhin die neuartige Gate-Leitungsanordnung 50, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird.

Wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, steht die untere Oberfläche des Grenzschichtelementes 30 (die metallisiert ist) mit der ebenen oberen Oberfläche des Polstückes 21 in Kontakt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Art und Weise, wie das Polstück 50 vorbereitet wird, um die Gate-Kontaktanordnung 50 nach Fig. 3 zu verwenden. So wird ein Schlitz 51 maschinell längs des Innen­ durchmessers des Polstückes 20 eingearbeitet, und eine ver­ größerte Mittelöffnung 22 (Fig. 5 und 6) wird entlang der Achse des Polstückes ausgebildet. Der Schlitz 51 ergibt einen Frei­ raum für die Gate-Leitung, während die Öffnung 52 das Gate- Federbaugruppengehäuse aufnimmt.

Entsprechend weist die Gate-Leitungsanordnung 50 gemäß Fig. 10 ein Gate-Lagefestlegungselement 60 (Fig. 7, 8 und 11) oder einen Gate-Anordnungs-Gehäusezylinder auf, der aus irgendeinem geeig­ neten geformten Isoliermaterial besteht, beispielsweise aus einem Isoliermaterial, das unter der Handelsbezeichnung FORTRON vertrieben wird. Das Gehäuse 50 weist eine Mittelöffnung 61 auf, die zu einer kleineren oberen Öffnung 62 führt. Eine Kerbe 63 erstreckt sich entlang der radialen Oberseite des Gehäuses 60.

Ein aus keramischem Isoliermaterial bestehender Federstößel 70 ist in der Öffnung 61 verschiebbar beweglich (Fig. 1 und 11) und er weist eine durchgehende axiale Öffnung 72 auf. Eine Druckfeder 73 ist oberhalb des Stößels 70 zusammengedrückt. Die Gate-Leitung 80 (Fig. 9), die aus versilbertem Kupfermaterial bestehen kann, weist eine an ihrem Ende ausgebildete Kontakt­ scheibe oder einen Kopf 81 auf. Der Durchmesser des Drahtes 80 über seine gesamte Länge kann ungefähr 0,4 mm betragen, während der Durchmesser des Kopfes 81 ungefähr 1 mm betragen kann. Der Draht 80 ist durch die Öffnung 71 geführt, bis der Kopf 81 auf der Unterseite des Stößels 70 anliegt. Eine Isolierhülle 83 umgibt die Länge des Leitungsdrahtes 80, wie dies in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist.

Das dem Kopfende 81 gegenüberliegende Ende des Leitungsdrahtes 80 nimmt ein geeignetes Anschlußstück auf, um einen Anschluß des Leitungsdrahtes an dem innenliegenden Ende des Anschluß­ stiftes 25 zu ermöglichen, wie dies in den Fig. 10 und 11 ge­ zeigt ist. Entsprechend ist eine Hülse 90 (Fig. 10) auf das Ende des Drahtes 80 aufgequetscht, und der Draht 80 wird dann mit dem Inneren der Hülse 90 eines aufsteckbaren Anschluß­ stückes 91 verlötet. Wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, ergibt das Anschlußstück eine Steckverbindung über dem innenliegenden Ende des Anschlußstiftes 25. Es ist verständlich, daß die neu­ artige Gate-Leitungsanordnung 50 einen einfachen und zuver­ lässigen Zusammenbau der Gate-Leitung in einem unter Druck zusammengebauten Gehäuse eines Halbleiterbauteils ermöglicht. Entsprechend wird die Leitung 80 einfach in den Schlitz 51 des Polstückes 20 gelegt, und das Gehäuse 60 wird in die Öffnung 52 in dem Polstück eingepreßt. Die Gate-Leitungsanordnung bildet nunmehr eine vollständige Teilbaugruppe mit dem Polstück 20. Das Anschlußstück 91 wird dann mit dem Anschlußstift 25 ver­ bunden, und das Gehäuse kann vollständig zusammengebaut werden, ohne daß zu befürchten ist, daß der Gate-Anschluß unterbrochen wird. Sobald das Gehäuse zusammengebaut ist, wird der Kontakt­ kopf 81 automatisch über die Feder 73 in Kontakt mit der Gate- Mittelelektrode des Grenzschichtelementes 30 gedrückt.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für den Fachmann viel­ fältige Abänderungen und Modifikationen sowie andere Anwendungen ohne weiteres ersichtlich.

Claims (4)

1. Gate-Anschlußsystem für ein unter Druck zusammengebautes Halbleiterbauteil, wobei das Halbleiterbauteil zwei mit Abstand voneinander angeordnete Polstücke, ein das erste und das zweite Polstück umgebendes und diese voneinander isolierende Isolier­ gehäuse, einen Gate-Anschlußstift, der sich durch das Isolier­ gehäuse erstreckt, und ein dünnes ebenes Grenzschichtelement oder Halbleiterplättchen umfaßt, das zwischen den Polstücken festgelegt ist und über zumindestens einen erheblichen Teil der vollen Oberflächenbereiche der Polstücke mit diesem in Druck­ kontakt steht, wobei das Grenzschichtelement zumindestens einen Gate-Elektrodenbereich auf zumindestens einer seiner Oberflächen aufweist, der auf das erste Polstück gerichtet ist, und wobei sich der Gate-Elektrodenbereich am Mittelpunkt des Grenzschichtelementes befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate-Anschlußssystem einen langgestreckten Gate-Anschlußdraht (80) aufweist, der auf dem ersten Polstück (20) befestigt ist, daß ein Drahtanschlußbe­ reich (81) mit einem Ende des Drahtes verbunden ist und mit dem Gate-Elektrodenbereich (31) ausgerichtet ist, daß eine Feder­ vorspannungseinrichtung (60, 70, 73) mit dem ersten Polstück (20) verbunden ist und mit dem Drahtanschlußbereich (81) verbunden ist und den Drahtanschlußbereich in Kontakt mit dem Gate-Elektrodenbereich (31) drückt, daß Anschlußeinrichtungen an dem anderen Ende des Drahtes (80) vorgesehen sind, um einen Anschluß an den Gate-Anschlußstift (25) auf der Innenseite des Isoliergehäuses herzustellen, und daß das erste Polstück eine zylindrische Ausnehmung (52) zur Aufnahme der Federvorspannungs­ einrichtung aufweist, wobei die Bauteile des Gate-Anschluß­ systems alle in dem ersten Polstück (20) befestigt sind.

2. Gate-Anschlußsystem nach Anspruch 1, bei dem das erste Polstück (20) einen Schlitz (51) in seiner Oberfläche aufweist, um den Gate-Anschlußdraht (80) unterhalb der Oberfläche des ersten Polstückes (20) in dem Raum zwischen dem Gate-Anschluß­ stift (25) und dem Gate-Anschlußbereich aufzunehmen.

3. Gate-Anschlußsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorspanneinrichtungen einen festen Isolierzylinder (60) mit einer Axialbohrung (61), einen beweglichen Stößel (70) mit einer axial gerichteten Mittelöff­ nung, der in der Axialbohrung (61) des Isolierzylinders (60) angeordnet ist, und eine Druckfeder (73) umfassen, die zwischen der Basis der Axialbohrung (61) und dem Stößel (70) angeordnet ist, um den Stößel (70) in Richtung auf den Gate-Elektrodenbe­ reich (31) des Grenzschichtelementes (30) zu drücken, daß der Leitungsdraht sich durch die axial gerichtete Mittelöffnung in dem Stößel (70) erstreckt, und daß der Drahtanschlußbereich (81) an der unteren Oberfläche des Stößels (70) angeordnet ist, der den Drahtanschlußbereich (81) in Richtung auf den Gate-Elektro­ denbereich (31) drückt, wenn das System vollständig zusammen­ gebaut ist.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das erste Polstück (20) und das dem ersten Polstück (20) benachbarte Ende des Isoliergehäuses (22) jeweilige leitende kreisförmige Flansche (23, 24) aufweisen, die miteinander verbunden sind, um das Innere des Isoliergehäuses abzudichten.