DE1247489B - Halbleiterbauelement-Zwischenplatte - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOlI

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

C 19520 VIII c/21 g
31. Juli 1959
17. August 1967

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbauelement-Zwischenplatte zum Übertragen eines starken und veränderlichen Wärmeflusses von einer dünnen Halbleiterscheibe zu einem massiven metallischen Körper mit einem von dem der Halbleiterscheibe abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die zwischen einer der Flachseiten der Halbleiterscheibe und dem massiven Metallkörper eingeschaltet ist und aus einer Vielzahl von durch schmale Spalte getrennten Einzelkörpern aus gut wärmeleitendem Metall besteht, die zu einem Bündel vereinigt sind, das in der Wärmeflußrichtung praktisch die thermische Leitfähigkeit eines massiven Blockes hat, dessen Querschnitt gleich der Summe der Querschnitte aller Einzelkörper ist.

Das Problem, zwei wärmeleitende Körper so miteinander verbinden zu müssen, daß die durch Wärmeausdehnung hervorgerufenen Spannungen, die mechanische Widerstandsfähigkeit der beiden Körper, zwischen denen der Übergang des Wärmeflusses stattfindet, nicht überschreiten können, tritt beispielsweise auf, wenn — wie in F i g. 1 veranschaulicht — die betreffenden Körper 1 und 2 aus Metall durch eine ebenfalls metallische Verschweißungsschicht 3 miteinander verbunden und die Ausdehnungskoeffizienten dieser drei Körper 1, 2 und 3 verschieden sind, so daß bei einem die ganze Metallmasse praktisch in der Pfeilrichtung 4 durchquerenden Wärmefluß die durch diesen bei den Körpern 1, 2 und 3 hervorgerufenen unterschiedlichen Ausdehnungen ganz beträchtliche, in der Richtung quer zum Wärmefluß wirksame Spannungen zur Folge haben, wobei die Möglichkeit der Überschreitung der Elastizitätsgrenze eines der Metallkörper 1 und 2 mit den Abmessungen des Verbindungskörpers 3 zunimmt.

Die Praxis zeigt, daß wiederholte Beanspruchungen dieser Art bei mindestens einem der miteinander verbundenen Körper 1 und 2 zur Beschädigung und, wenn er zerbrechlich ist, sogar zu seinem Bruch führen können. Vor allem tritt diese Gefahr auf, wenn eine dünne und zerbrechliche pastUlenförrnige Scheibe eines Halbleiter-Einkristalls von großem Querschnitt an einen massiven Kupferblock angeschweißt ist, der zur Abführung der in der Halbleiterscheibe durch einen starken elektrischen Strom erzeugten Wärme bestimmt ist.

Es ist nun schon bekannt, die Anoden von Elektronenröhren mit Hilfe eines metallischen Wärmeableiters zu kühlen, der aus einem Zylinder mit einer Vielzahl von angesetzten radialen Rippen besteht, welche die ihnen zugeführte Wärme an längs ihrer radialen Seitenflächen vorbeigeführte Luft oder

Halbleiterbauelement-Zwischenplatte

Anmelder:

Compagnie Frangaise
Thomson-Houston-Hotchkiss Brandt, Paris

Vertreter:-

DipL-Ing. D. Lewinsky, Patentanwalt,
München 42, Gotthardstr. 81

Als Erfinder benannt:

Charles Beurtheret,

Saint-Germain en Laye (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 4. August 1958 (771 797)

Flüssigkeit abgeben und dadurch ein großes Wärmegefälle zwischen ihren radial inneren und radial äußeren Enden hervorrufen. Es handelt sich dort also um die bekannte Kühlung von Elektronenröhren, mit Außenanode durch einen mit Luft oder Wasser bespülten und in seiner Oberfläche durch Rippen vergrößerten Wärmestrahler. Entsprechend der dort gestellten Aufgabe nehmen dabei die radia-Ien Wärmestrahler nur einen geringen Teil des Wärmeübertragungsquerschnitts ein, so daß bewußt über ihre seitlichen Flächen in beachtlichem Maße eine Wärmestreuung und damit ein entsprechender Wärmeverlust eintritt.

Es wurde auch schon eine Halbleiterbauelement-Zwischenplatte der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der die Halbleiterplatte eines Gleichrichters mit einer ihrer Flachseiten auf einer ersten Elektrode starr befestigt ist, während ihre andere Flachseite mit einer zweiten Elektrode über eine Vielzahl von V-förmig geknickten Leitern verbunden ist. Diese Leitern sichern außer der elektrischen und thermischen Verbindung eine genügende Beweglichkeit zwischen der Halbleiterplatte und der zweiten Elektrode und verändern so das Auftreten von mechanischen Spannungen in Richtung senkrecht zur Halbleiterscheibe, also in Richtung des Wärmeflusses,

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Claims (1)

1. die sonst durch Unterschiede der Wärmeausdehnung der einzelnen Bauteile- des Gleichrichters auftreten können. Diese früher vorgeschlagene Zwischenplatte ist jedoch nicht geeignet zur Veränderung von Spannungen quer zum Wärmefluß. Die Form der V-förmigen Leiter ist nämlicn unnötig verwickelt im Hinblick auf die äußerst geringen erforderlichen Biegungen zum Auff angen der Ausdehnungsunterschiede * in der Ebene der Halbleiterscheibe, und ihr Wärmewiderstand ist unnötig groß. _

   Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Halbleiterbauelement-Zwischenplatte der eingangs genannten Art bei der Übertragung eines starken und veränderlichen Wärmeflusses unter Vermei-. dung aller bisher auftretender Ubelstände zu verhindem, daß die durch Wärmedehnung quer zur Richtung des Wärmeflüsses hervorgerufenen Spannungen in den beiden Körpern deren mechanische Widerstandsfähigkeit überschreiten -und so ihren Bruch oder sonstige Beschädigung herbeiführen.

   Dies gelingt bei der hier vorgeschlägenen-^:Halb-Ieiterbauelement-Zwischenplatte dadurch, daß erfindungsgemäß die Einzelkörper gerade und länglich ausgebildet sind, "einen Querschnitt von einer dem Entstehen gefährlicher quergerichteter Wärmedehnungsspannungen in der Halbleiterscheibe vorbeu- , genden Größe sowie eine die Überschreitung der Flexibilität des Einzelkorpefs durch die auftretenden transversalen Formänderungen verllindernde Länge besitzen und zu der mit ihnen verbundenen Flachseite der Halbleiterscheibe im wesentlichen senk- _M recht ausgerichtet sind.

   Durch diesem äußerstyeinfache Formgebung einer solchen Halbleiterbauelement-Zwischenplatte wird ein mechanischer" Bruch der zerbrechlichen Halbleiterscheibe gegenüber Wärmekontraktionen wirk- sam verhindert,imd, erreicht, daß die beiden. Metallkörper sich in der Querrichtung frei ausdehnen können. ·· ----- ·

   Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Halbleiterbauelement-Zwischenplatte gemäß der Erfindung kann diese aus einem Stück mit dem massiven Metallkörper bestehen, wobei die Einzelkörper voneinander durch Spalte (Einschnitte) in Form von zwei sich kreuzenden Scharen getrennt sind. Diese Spalte lassen sich durch Einschneiden von· sich kreuzenden schmalen Schlitzen in einem größeren massiven wärmeleitenden Metallblock erzeugen. Die vom Wärmefluß in parallelen Strömen durchquerten Einzelkörper können "aber auch durch Verschweißung an ihren Enden zum Gesamtkörper verbunden, sein. .

   F i g. 2 veranschaulicht die Halbleiterbauelement-Zwischenplatte nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungsform in Draufsicht, und F i g. 3 zeigt einen Teil davon in schaubildlicher Wiedergabe in einer gegenüber Fig. 2 abgeänderten Ausführung.

   Gemäß Fig. 2 sind die beiden, verschiedene Wärmedehnungszahlen aufweisenden Körper 1 und 2 durch die Zwischenplatte 5 überbrückt, die aus einem Bündel von zylindrischen, gut wärmeleitenden, metallischen Einzelkörpern 6 in paralleler Ausrichtung und mit gegenseitiger Trennung durch schmale Spalte 7 besteht, an den beiden Enden dieser Einzelkörper 6 durch die Schweißschichten 3 und 3 α mit den Körpern 1 und 2 verbunden ist und zwischen diesen einen im wesentlichen in der Pfeilrichtung 4 strömenden, sehr kräftigen Wärmefluß zu übertragen hat. 1 ist eine zerbrechliche, pastillenförmige Scheibe eines . Halbleiter-Einlcristalls und 2 ein massiver Metallkörper.

   Die durch das Bündel von zylindrischen Einzeltörpernö erzielte Zwischehplatte 5 gestattet jedem der beiden von ihr verbundenen Körper 1 und 2, sich für sich unabhängig und frei unter der Wirkung des durchgehenden Wärmeflusses quer zu dessen Richtung auszudehnen und verhindert dadurch die in ihnen durch die Wärmedehnung auftretenden Spannungen an einem Anwachsen über die mechanische Widerstandsfähigkeit der Halbleiterscheibel hinaus. Die durch Verschweißungsschichten 3 und 3 a hindurch wirksamen Spannungen werden um so mehr beschränkt, je kleinere Querschnitte die zylindrischen Einzelkörper 6 aufweisen, - während die thermische Leitfähigkeit <les ganzen, aus sämtlichen Einzelkörpern 6 bestehenden Gebildes in der Wärmeflußrichtung 4 praktisch gegenüber einem massiven Vollkörper von einem der Summe der Einzelkörperquerschnitte gleichem Gesamtquerschnitt nicht vermindert ist. '

   Der Querschnitt eines jeden der zylindrischen Einzelkörper 6, die vom Wärmefluß in parallelen Teilströmen durchquert werden, ist so bemessen, daß er unter dem gefährlichen Querschnitt bleibt, und die Länge der Einzelkörper 6 wird genügend groß gewählt, daß die transversalen Formveränderungen die Flexibilität der Einzelkörper nicht überschreiten.

   Eine besonders einfache Ausführungsform der Halbleiterbauelement-Zwischenplatte nach der Erfindung ergibt sich nach F i g. 3 dadurch, daß die Einzelkörper 6 als parallelepipedische Zapfen 6 in der Masse des Metallkörpers 2 durch Einschiieiden zweier Gruppen von schmalen, sich kreuzenden Schützen la und 7 b erzeugt sind. Die Endflächen 8 dieser durch Spalte voneinander getrennten Zapfen werden dann durch eine Verschweißungsschicht 3 mit einem zerbrechlichen Halbleiterkörper ähnlich wie die zylindrischen Einzelkörper 6 in F i g. 2 verbunden. : _ . . ., ,

   Patentansprüche:

   . 1. Halbleiterbauelement - Zwischenplatte zum Übertragen eines starken und veränderlichen Wärmeflusses von einer dünnen Halbleiterscheibe zu einem massiven metallischen Körper mit einem von dem der Halbleiterscheibe abweichenden

   ■ - thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die zwischen einer der Flachseiten der Halbleiterscheibe und dem massiven Metallkörper eingeschaltet ist und aus einer Vielzahl von durch schmale Spalte getrennten Einzelkörpern aus gut wärmeleitendem Metall besteht, die zu einem Bündel vereinigt sind, das in der Wärmeflußrichtung praktisch die

   . thermische Leitfähigkeit eines massiven Blockes hat, dessen Querschnitt gleich der Summe der Querschnitte aller Einzelkörper ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkörper gerade und länglich ausgebildet sind, einen Querschnitt von einer dem Entstehen gefährlicher quergerichteter Wärmedehnungsspannungen in der Halbleiterscheibe vorbeugenden Größe sowie eine die Überschreitung der Flexibilität des Einzelkörpers durch die auftretenden transversalen Formänderungen verhindernde Länge besitzen und zu der mit ihnen verbundenen Flachseite der Halbleiterscheibe im wesentlichen senkrecht ausgerichtet sind.