DE1914398A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha in Tokyo /Japan

Halbleitervorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter vorrichtung, bestehend aus einem Paar von Druckplatten., mit wenigstens einem dazwischen angeordneten Halbleiterelement sowie entlang der äußeren Peripherie an einer Mehrzahl von Punkten angreifenden Verbindungselementen.

Konventionelle Arten von Halbleitervorrichtungen wiesen ein oder mehrere Halbleiterelemente auf, die wenigstens mittels eines Paars von durch Schrauben und Muttern miteinander verbun-

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Druckplatten zusammengehalten werden, wobei sich eine einheitliche Struktur ergibt. In manchen Fällen wurden-das Halbleiterelement bzw, die HalbleitereleiDente zusätzlich zwischen einem Paar von wärmeabsorbierenöen Blöcken angeordnet; fliese zwischen den Druckplatten eingesetzten wärmeabsorbierenden Blöcke dienen in den meisten Fällen ebenfalls als Klemmenanschluß für das entsprechende Halbleiterelement.

Bei der oben beschriebenen Halbleiteranordnung scheint es notwendig·, daß der auf das Halbleiterelement bzw» Halblei« terelemente ausgeübte Oberflächendruck während thermischer Expansion bzw. Kontraktion gegenüber den wärmeabsorbierenden Blöcken in etwa konstant gehalten wird, damit bei thermischer Ausdehnung der auf ^a? Halbleiterelement bzw. die Halbleiterelemente ausgeübte Druck nicht zu hoch wird und damit Beschädigungen des Halbleiterelements hervorrufen kann, andererseits bei thermischer Kontraktion der zwischen dem Halbleiterelement und dem wärmeabsorbierenden Block vorhandene elektrische Kontaktwiderstand nicht zu stark ansteigt bzw. in extremen Fällen die Gefahr hervorruft, daß sich das Halbleiterelement bzw. die Halbleiterelemente aus der Halbleiteranordnung lösen.

Es scheint ferner notwendig, daß der Flächendruck über die ganze Fläche des Halbleiterelements hinweg in etwa konstant ist. Wenn nämlich der Flächendruck an einer bestimmten Stelle zu hoch wird, dann besteht die Gefahr, daß ein bestimmter Teil des Halbleiterelementes abbricht, während an Stellen mit zu niedrigem Flächendruck der zwischen dem Halbleiterelement und der Anschlußplatte bzw, dem wärmeabsorbierenden Block vorhandene Kontaktwiderstand zu stark ansteigt. Dies kann zur Folge haben, *aß ^fli^fi Ströme im wesentlichen entlang konzentrischer, einem höheren Flächendruck ausgesetzter Teilbereiche

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fließen, während kein oder nur wenig Strom durch die übrigen Teilbereiche strömt.

-Um diese zwei Nachteile zu beseitigen, sind bisher· getrennte Maßnahmen getroffen worden. Um die oben erwähnte erste Anforderung zu erfüllen, wird ein elastisches Element - bei- spielsweise Gummi - zwischen der Mutter und der entsprechenden Druckplatte angeordnet, so daß Änderungen der auf das Halbleiterelement bzw. die Halbleiterelemente ..ausgeübten Druckkraft abgefangen werden. Um die oben beschriebene zweite Anforderung zu erfüllen, wird eine Kugel mit einem entsprechenden Lagerteil auf jeder Seite der Druckplatte im Bereich des Halbleiterelements angeordnet. Sowohl die Druckplatte als auch das Lagerteil weisen eine halbkugelförmige Ausnehmung auf, zwischen welcher die Kugel eingesetzt ist, so daß die Druckplatte über "die Kugel gep-enüber dem Halbleiterelement verschwenkbar angeordnet ist. Aufgrund dieser Maßnahme wird der von der Druckplatte über die Kugel und das Lagerteil auf das Halbleiterelement ausgeübte Druck in etwa gleichmäßig verteilt. Wenn demzufolge ein auf die Druckplatte seitlicher Druck ausgeübt wird, kippt dieselbe durch das Vorsehen der Kugel zeitlich, so daß das Halbleiterelement im wesentlichen gleichmäßig belastet ist.

dieser Konstruktion ergibt sich, daß die Halbleiteranordnung aus piner das Halbleiterelement bzw. Halbleiter elemente mit Druck beaufschlagenden Druckplatte, aus einem Druckänderungen aufgrund von thermischen Zj43.en ausgleichenden elastischen Element und einem, eine gleichmäßige Druckverteilung bewirkenden Ausgleichselement besteht. Dies bedingt eine relativ komplizierte Konstruktion un^ einen relativ hohen Zeit- und Arbeitsaufwand bei der Montage.

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Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, die diese oben genannten Nachteile nicht aufweist und die bei einfacher Konstruktion un-· ter Verwendung einer geringen Anzahl von Einzelelementen einen sehr geringen Arbeits- und Zeitaufwand beim Zusammenbau erfor-. dert. ■ . . *

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß wenigstens eine der Druckplätten aus einem federnden Material· iit einer im unbelasteten Zustand kugelsegmentförmigen Formgebung ausgebildet ist, und daß durch Anziehen von Spannelementen- die Druckplatte unter Ausübung eines Druckes auf das Halbleiter-.element derart verformt ist, daß der. Krümmungsradius dieser Druckplatte abnimmt.

Jede der beiden Druckplatten ist vorzugsweise im unbelasteten Zustand kuge!segmentform ig ausgebildet, wobei beim Zusammenbau die konvexen Oberflächen dieser Segmente in Richtung der Druckausübung zu liegen kommen. -

Die Druckplatten bestehen vorzugsweise aus Federblattstahl und sind im unbelasteten Zustand etwa 3,0 bis 3»5 mm erhaben und werden nach dem Zusammenbau praktisch vollkommen flachgedrückt. .

• Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im folgenden ' < anhand p.ines AusführungsbeisOiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen: . ' ^!- „

Fig. 1 eine Längssehnittansieht einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung; . '-.-....-

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Fig. 2 eine seitliche Ansicht der in Fig.'l dargestellten Halbleiteranordnung;

Fig. 3 eine Schnittansicht der in Fig. 1 dargestellten Druckplatte im unbelasteten Zustand;

Fig. k eine Vorderansicht eines in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendbaren wärmeabsorbierenden Blockes; und

Fig. 5 eine seitliche Ansicht des in Fig. k dargestellten wärmeabsorbierenden Blockes.

Im folgenden soll auf die Zeichnung - insbesondere Fig. 1 Bezug genommen werden, in welcher eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung dargestellt ist, die eine Mehrzahl von.Halbleiterelementen 10, 12 - beispielsweise zwei - aufweist, die zwischen drei, aus einem geeigneten elektrisch und thermisch leitfähigen Material gefertigten, wärmeabsorbierenden Blöcken Ik, l6, 18 angeordnet sind.

Entsprechend der Darstellung sind die Halbleiterelemente 10, 12 Halbleiterdioden. Die wärmeabsorbierenden Blöcke 14·, 16, l8 sind mittels eines geeigneten flüssigen Kühlmittels gekühlt, welches d.urch das Innere dieser wärmeabsorbierenden Blöcke 14, 16, 18 fließt. Die.wärmeabsorbierenden Blöcke Ik, l6, 18 weisen seitlich im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Halbleiteranordnung hervorspringende Klemmenanschlußstege 20, 22, 2k auf, die.aus demselben Material wie die wärmeabsorbierenden Blöcke Ik, 16, 18 bestehen. Der Zusammenbau der Halbleiteranordnung erfolgt derart, daß die· Klemmenanschlußstege . 22 und Zk gemäß Fig. 1 nach oben aus der Halbleiteranordnung

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herausragen, während der Klemmenanschlußsteg 22 nach unten her-~ ausrast. Die Klemmenanschlußstege 20, 22, ?Λ sind somit abwechselnd nach oben und unten, herausgeführt, wobei der Zweck flieser Anordnung im folgenden noch beschrieben sein soll.

Die äußeren Flächen der wärmeabsorbierenden Blöcke 14 und l8 stehen in Berührung mit federnd die gesamte Oberfläche dieser wärmeabsorbierenden Blöcke 1^, 18 beaufschlagenden Druckplatten 26, 28. Jede der Druckplatten 26, 28 weist kreuzförmig heraüsragende Ansätze 3° auf, die bis außerhalb der seitlichen Peripherie der wärmeabsorbierenden Blöcke 14 und 18 herausragen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die fluchtend zueinander angeordneten Ansätze 30 der Druckplatten 26, 28 sind mittels vier im mittleren Bereich mit je einer Hülse 36 versehenen Bolzen 32 miteinander verbunden, wobei an den jeweiligen Enden der Bolzen 32 Muttern 3^ aufgeschraubt sind. Während die Druckplatten 26, 28 gemäß der Darstellung in Fig. 2 an vier Punkten miteinander verbunden sind, so soll doch verstanden sein, daß die Druckplatten mit einer beliebigen Anzahl von Bolzen 32 miteinander verbunden sein können.

Gemäß der Erfindung sind wenigstens! eine - vorzugsweise jedoch beide - Druckplatten 26, 28 aus Qinem geeigneten federnden metallischen Material, beispielsweise SAE-Typ IO7O Federstahl hergestellt, wobei diese Druckplatten 26, 28 im nicht belasteten Zustand die in Fig. 3 dargestellte kugelsegmentformige Form aufweisen. Es sei erwähnt, daß ein SAE-Typ IO7O Federstahl in die in Fig. 2 und 3 dargestellte Form gepreßt wurde, wobei die maximalen Abmessungen 80 χ 80 mm und die Durchbiegung d gemäß Fig. 3 3,5 mm betrug. Versuchsergebnisse er-. gaben, daß das Aufbringen einer Belastung von einer Tonne und mehr auf diese Druckplatten 26, 28 keine permanenten Deformationen hervorruft und daß demzufolge diese Druckplatten 26, 2.8 eine genügende Federwirkung aufweisen.

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Im unbelasteter Zustand haben die Druckplatten 26, 2.8 einen Krümmungsradius, der von rten Abmessungen der Halbleiterelemente 10, 12 abhängt. Pur Leistungshalbleiteranordnungen erscheint' jedoch ein Krümmungsradius von *4-9Ο mm geägnet. Im Hinblick auf die auf die Halbleiterelemente 10, 12 ausgeübte Druckkraft ist die Größe d gemäß Fig. 3 vorzugsweise in der Grö- ßenanordnung zwischen. 3,0 und 3»5 nirru Es konnte ferner festgestellt werden, daß bei aus Federstähl hergestellten Druckplatten 26, 28 die Größe d in vielen anderen Anwendungsfällen 3*3 ram betragen kann, unabhängig von den Abmessungen der Halbleiterelemente 10,12, für welche d.ieselben verwendet werden sollen.

Die derart ausgebildeten Druckplatten 26, 28 werden mit ihren Scheiteln 38 auf die Mittelpunkte der äußeren Oberfläche der wärmeabsorbierenden Blöcke 14, l8 gelegt. Daraufhin werden die Druckplatten 2.6, 28 unter Verwendung der Bolzen 33 und Muttern 3^ derart verschraubt, daß dieselben im wesentlichen flach in Berührung mit den seitlichen Oberflächen der wärmeabsorbierenden Blöcke I^, 18 zu liegen kommen. Demzufolge werden die Muttern 3^ auf den Bolzen y?. derart angezogen, daß die Druckplatten 26, 28 einen im wesentlichen unendlichen Krümmungsradius erhalten. Aufgrund, dieser Anordnung ergibt sich, daß die Halbleiterelemente 10, 12 unter· einem vorgegebenen Druck zwischen den entsprechenden wärmeabsorbierenden Blöcken l4, 16, 18 gehalten werden.

Es soll verstanden sein, daß die Druckplatten 26, 28 nicht aus einem bestimmten Material bestehen müssen und daß die Formgebung und Krümmung dieser Druckplatten 26, 28 im unbelasteten Zustand ,ie nach der gewünschten Belastung der Halbleiterelemente 10, 12 gewählt wurden solli-■'"·

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dies in Pig. 1 dargestellt worden ist, weisen die ■ ■ Klemmenanschlußstege 20, 22, 2k- Befestigungsbohrungen ^O auf. Ein Anschlußstab k2 kann beispielsweise dadurch an dem Klemmenanschluß steg 22 angeschlossen werden, indem ein Paar, von den Klemmenanschlußsteg 22 und den. Anschlußstab kz. seitlich umschließenden Hilfsverbindungsstäbe kh angesetzt werden.

Wenn die Halbleiterelemente lo, 12 gemäß der Darstellung in Fig. 1 Dioden mit der dargestellte Polarität sind., dann können die Klemmenanschlußstege 20, 2^ elektrisch mittels geeigneter, nicht gezeigter flexibler Leitungen miteinander. verbunden werden, während der Anschlußstab h-2 die andere Klemme der Halbleiteranordnung bildet. Dadurch kann eine DoppeXweggleichrichtung erzielt werden. Die Halbleiterelemente 10, 12 können ebenfalls parallel zueinander an.getrd.net werden, indem' eines dieser Halbleiterelemente 10, 12 im Vergleich zu der Darstellung gemäß Fig. 1 umgekehrt polarisiert eingesetzt wird und indem die oben beschriebenen Klemmena-nschlüsse,vorgenommen werden. Es soll verstanden sein, daß das Halbleiterelement ebenfalls aus einem Tyristor· oder einem Transistor bestehen kann, wobei dip elektrischen Anschlüsse in ähnlicher Weise durchgeführt werden können.

Bei der. Halbleiteranordnung gemäß' Fig. 1 bis 3 dienen die Druckplatten 26, 28 sowohl als Druckelemente für die Halbleiterelemente 10, 12 gegen die wärmeabsorbierenden Blöcke Ik-, 16 18 als auch als Elemente, um aufgrund von thermischen Zyklen bedingte Änderungen der Druckkraft aufzufangen. Ferner dienen diese Druckplatten 26, 28 dazu, den auf die Kontaktflächen ausgeübten Flächendruck über die ganze F&he des Halbleiterelementes 10, 12 auszugleichen, indem dieselben im Ruhezustand kugelsegmentförmig ausgebildet sind, so daß selbst im Fall eines

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ungleichmäßigen Anziehens der.Muttern 36 auf den Bolzen 32 im mittleren Bereich des mit der betreffenden Druckplatte 26, 28 lh Berührung kommenden wärmeabsörbierenden Blockes 1^, 18 eine gleichmäßige Druckverteilung erreicht -wird; Demzufolge wird vermiefLa^ Haß der auf den wärme absorbier enden Block 14,- 16,■ 18 äuggeübte Drück ungleichmäßig ist.- Demzufolge ergibt; sich*-daß im Rahmen der' vörlifegenderi Erfindung die Notwendigkeit eines gielchzeiti&en Vbrsehehs eines federnden Elementes und einer feügfeiiäno^iriüög Vermieden ist * so daß im Gegensatz zu bisherigen Konstruktionen die erfiridun^sgemäße Ausgestaltung sehr

-'die in den Pig. "i bis 3 dargestellte ÖrflilUhg mit HaifeieiterblBckeh· lh,- l6j 18 versehen ist j deren feiiiiikäffääität im wesentlichen gleich ist; so soll fes doch verständen seiiii daß diese viärmeäbsörbierend^ri Blöcke lk, lö, 18 - sollte dies erwünscht sein - untereinander eine versJiiederie Kühlkapäzität aufweisen können. Um beispielsweise die Stromkäpazität für eine bestimmte Hälfeleiteranordnüng zu erhöhen, kann beispielsweise der mittlere wärmeabsorbierend.e Block 16 aus einem Paar von miteinander Vefbtidenen wärmeabsörbierehden Blöcken bestehen. Ferner kann, der mittlere x<rärmeäbsörbierende Block 16 b'zvr; Blöcke ein'e doppelte Kühlkapäzität aufweisen.

Die wärmeäbsorbierendeh Blöcke 1^,· 16, 18 können vörteilhäftefweise ebenfalls durch einen zirkulierenden Luftstrom gekühlt sein'i >iie dies in d.en\ Fig. k und 5 dargestellt ist, in welchen der wärmeäbgorbierettde Block i^. eine Mehrzahl vonKühlrlppen k-6 aufweist. Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit zwei, eine kugelförmige Oberfläche aufweisenden, aus einem federnden metallischen Material gefertigten Druckplatten 26, 28 beschrieben worden ist, so soll doch Verstanden sein,-

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fl.aß ebenfalls nur eine dieser Platten eine derartige Pormgebunfr aufweisen kann. Im letzteren Fall kann die andere Platte eine starre Platte konventioneller Konstruktion sein;

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Claims (1)

1. - li - ■

   Patentansprüche

   Γΐ») Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Paar von Druckplatten, mit wenigstens einem dazwischen angeordneten Halb-' leiterei ement- sowie entlang der äußeren Peripherie an einer Mehrzahl von Punkten angreifenden Verbindungselementen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Druckplatten (26, ?8) aus einem federnden Material mit einer im unbelasteten Zustand kugelseg:mentförmigen Formgebung ausgebildet ist, und daß durch Anziehen von Spannelementen (32, 3*4-) die Druckplatte ("2.6, 2.8) unter Ausübung eines Druckes auf das Halbleiterelement (10, 12) derart verformt ist, riaß rier Krümmungsradius dieser Druckplatte (26, 28) abnimmt .

   2. Halbleitervorrichtungmch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Halbleitervorrichtung je eine im Ruhezustand kugelsegementfb'rmig ausgebildete Druckplatte (26, 2.8) angeordnet ist.

   3. Halbleitervorrichtung· nach Anspruch 1 oder 2, dadurch pekennzeiohnet , daß die Druckplatte (2.6, 28) aus Pederstahl besteht.

   k. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , riaß *ie Druckplatten (26, 28) im Ruhezustand zwischen 3,0 und 3,5 mm gekrümmt sinrl und daß beim Anspannen der Spa.nnelemente (32, 3*0 der Krümmungsradius der Druckplatten (26, 2.8) in. etwa unendlich ist.

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   5. Halbleitervorrichtung-nach einem der Artsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei seitlich an dem Halbleiterelement (10, 12) anliegende, wärmeabsorbierende Blöcke (Xk-, l6, 18) vorgesehen sind, die gleichzeitig KlemmenanschlußPlatten für das.Halbleiterelement bilden, und daß die Druckplatten (26, 28) durch diese wärmeabsorbier«ndpn Blöcke (l*J-, 16, l8) hindurch gegen das Halbleiterelement (10, 12) drücken.

   6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Druckplatten (26, 28) an vier Punkten ihrer äußeren Peripherie mittels der Süanneinrichtungen (33ι 3^) miteinander verbunden s ind.

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