DE2061179A1 - Gehaeuse fuer Halbleiterschaltungen - Google Patents

Gehaeuse fuer Halbleiterschaltungen

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DE2061179A1 DE19702061179 DE2061179A DE2061179A1 DE 2061179 A1 DE2061179 A1 DE 2061179A1 DE 19702061179 DE19702061179 DE 19702061179 DE 2061179 A DE2061179 A DE 2061179A DE 2061179 A1 DE2061179 A1 DE 2061179A1
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Description

7112-70 Dr.ν.Β/Ε 206 1Ί /9
RCA 62,4*19
US-Ser.No.884,258
Piled: 11.Dezember 1969
RCA Corporation
New York N.Y. (V.St.A.)
Gehäuse für Halbleiterschaltungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für HalbleiterSchaltungen, insbesondere für hybride Leistungsschaltungen, bei denen eine gute Wärmeabführung wesentlich ist.
Mit den sich mehr und mehr einbürgernden hybriden und integrierten Schaltungen ist eine Vielzahl verschiedener Gehäuse bekannt geworden, von denen sich jedoch die meisten in gewisser Hinsicht ähneln. So wird z.B. der Wärmeabfuhr keine besondere Bedeutung beigemessen, da die derzeitigen hybriden und : integrierten Schaltungen nur Bauelemente, die mit verhältnismäßig kleinen Strömen arbeiten, enthalten. Die meisten Gehäuse ! für solche Schaltungen bestehen daher aus einem verformbaren Isoliermaterial, wie Kunststoff oder Keramik. Da ein Hauptvorteil von hybriden und integrierten Schaltungen ihr geringer Preis ist, sind außerdem keine Vorkehrungen getroffen, um die Gehäuse öffnen oder wiederverwenden zu können, die Schaltung wird vielmehr durch das Gehäuse für dauernd eingeschlossen. !
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Die bekannten Gehäuse haben sich gut für Schaltungen, die mit kleinen Strömen arbeiten, bewährt, in jüngerer Zeit sind jedoch hybride Schaltungen für höhere Ströme und Leistungen entwickelt worden, für die sich die bekannten Gehäuse als ungeeignet erwiesen haben. Z.B. wird die Wärmeabfuhr mit steigender Leistung ein wesentlicher Paktor und man muß daher für solche Schaltungen ein Gehäuse mit guter Wärmeleitfähigkeit verwenden. Da hybride Leistungsschaltungen außerdem verhältnismäßig teuer sind, ist es außerdem wünschenswert, Gehäuse zu verwenden, die ohne Schwierigkeiten wieder geöffnet und verschlossen werden können, um nötigenfalls eine Reparatur oder einen Austausch der Schaltung zu ermöglichen.
Ein anderer wichtiger Paktor sind die Betriebsbedingungen des Gehäuses. Niederstrom-Kybridschaltungsgehäuse werden normalerweise in geschlossenen Behälter oder unter kontrollierten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen betrieben. Hochstrom-Hybridschaltungen müssen andererseits häufig in einer feuchten und Korrosiven Umgebung arbeiten, z.B. bei Verwendung als Startschalter für Hubschrauber, Gabelstapler und dgl. Dies erfordert daher läufig einen wirklich hermetischen Abschluß mit einer Metall-Metall- oder Metall-Glas-Dichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für Halbleiterschaltungen anzugeben, das eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet, einfach geöffnet χηά wieder verschlossen werden kann und die eingeschlossene Schalungsanordnung hermetisch gegen die Umgebung abschließt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Gehäuse für Halbleiterschaltungen mit einer Scheibe oder Platte mit einem zwei entgegengesetzte äußere Hauptflächen aufweisenden Metallkörper guter Wärmeleitfähigkeit, der einen Hohlraum enthält, welcher durch eine Seitenwand sowie einen bei der einen llauptfläche befindlichen Boden, auf dem mehrere Halbleiterbauele-
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mente bzw. eine hybride Schaltung montierbar sind, begrenzt ist und mit einer öffnung in der anderen Hauptfläche in Verbindung steht, ferner mit einem an der öffnung lösbar befestigten Metalldeckel, der durch eine Abdichtanordnung bezüglich des Umfanges der öffnung abgedichtet ist, und eine Verbindung zwischen im Hohlraum angeordneten Einrichtungen oder Schaltungen und Punkten außerhalb der Scheibe oder Platte.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene, auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Grundaufbau eines Gehäuses gemäß der Erfindung zeigt;
Pig. 2 eine QuerSchnittsansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Gehäuses des in Fig. 1 dargestellten Typs;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht zweier vertikal übereinander angeordneter Gehäuse, die ähnlich ausgebildet sind wie das Gehäuse gemäß- Fig. 1, jedoch eine andere Klemmenanordnung haben;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung des Gehäuses gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Gehäuses des in Fig. 3 dargestellten Typs.
Beispiel 1
Anhand von Fig. 1 soll als erstes die Grundstruktur des vorliegenden Gehäuses beschrieben werden. Das Grundgehäuse 10 enthält eine wannenartige Platte 12 guter Wärmeleitfähigkeit.
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die Platte 12 enthält einen Metallkörper mit einer oberen Hauptfläche 14 und einer unteren Hauptfläche 16. Vorzugsweise enthält die Platte 12 nickelplattiertes Kupfer oder besteht aus diesem, ! und sie hat im wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Andere Formen, z.B. mit rundem Querschnitt, können jedoch auch verwendet werden.
Die Platte 12 enthält einen Hohlraum 18, der durch eine Seitenwand 20 und einen bei der unteren Hauptfläche 16 ge- | : legenen Boden 22 begrenzt ist. Auf dem Boden 22 sind eine Anzahl von Halbleiterbauelementen, z.B. Leistungstransistoren 24 und j Dioden 26 montierbar. Die obere Hauptfläche 14 der Platte 12 hat eine Öffnung 28, die in Verbindung mit dem Hohlraum 18 steht und von einem Rand 30 umgeben ist. Der Rand 30 ist vorzugsweise über das Niveau der oberen Haupt fläche 1*1 hochgezogen.
Das Gehäuse 10 umfaßt ferner einen Metalldeckel 32, der abnehmbar in der Öffnung 28 auf dem Rand 30 montiert ist. In Fig. 1 ist ein Teil des Deckels 32 weggebrochen. Zwischen dem Umfang des Deckels 32 und dem Rand 30 ist eine leicht wieder schmelzbare Lotverbindung 34 vorgesehen, um eine wirlich hermetische (Metall-Metall-)Abdichtung zu gewährleisten. Der Deckel Ψ 32 hat ein Entlüftungsloch 36, das durch eine mit Lot überzogene Vertiefung 38 gebohrt ist.
Durch die Seitenwand 20 sind mehrere Metallstifte 40 geführt, die in den Hohlraum 18 reichen und die Bauelemente 24, 26 mit Punkten außerhalb der Platte 12 verbinden. Die Stifte 40 sind jeweils von der Platte 12 durch ein Glasformteil 42 isoliert, das dicht zwischen den betreffenden Stift 42 und die Platte 12 eingesetzt ist und eine hermetische Metall-Glas-Dichtung bildet. Die Seitenwand 20 hat eine Vertiefung 44, die die Anschlußenden der Stifte 40 schützt, über die Platte 12 wird noch ein nicht dichtschließendes Außengehäuse 46 gesetzt, das zum zusätzlichen Schutz gegen Umgebungseinflüsse dient. Außengehäuse
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46 und Platte 12 werden durch Schrauben 48 verbunden, die auch zur Befestigung&er Platte 12 an einer Wärmesenke oder einem Kühlkörper 50, der eine gute Wärmeableitung gewährleistet, dienen.
ι Die Platte 12 kann auch als nicht hermetisch geschlossene Version verwendet werden, indem man den Deckel 32 und den Rand 30 wegläßt. In diesem Falle können dann die Bauelemente 24 und 26 mit einer in den Hohlraum 18 eingeführten Vergußmasse ver-
gössen werden.
Die Platte 12 kann durch spanende Bearbeitung (Fräsen, Bohren und dgl.), durch Umformen (Gesenkschmieden und dgl.) oder !Guß in bekannter Weise hergestellt werden. Die Seitenwand 20 und ,der Boden 22 können zusammen in Form eines einzigen Metallteils hergestellt werden oder man kann sie getrennt herstellen und durch Hartlöten oder dgl. verbinden. Die Platte 12 kann außerdem einen zusätzlichen gut wärmeleitenden Metallkörper enthalten, der eng an der Seitenwand 20 anliegt, wenn ein besonders hohes Wärmeableitvermögen gefordert wird.
Die Abmessungen der Platte 12 sind nicht wesentlich und hängen u.a. von der Wärmeleistung ab, die von der im Hohlraum 18 angeordneten Schaltung abgeführt werden muß. Eine 101 mm lange, 76 mm breite und 17,7 mm dicke Platte mit einem 68,5 nim langen, .57 mm breiten und 10,1 mm tiefen Hohlraum für ein 400 A-Schaltgerät, das eine Verlustleistung von etwa 1,0 hW abgibt, ein Wärmeableitvermögen von 0,1 °C/W.
Die wieder schmelzbare Lotverbindung 34 kann dadurch gebildet werden, daß man Lot auf den Rand 30 und den Umfang des Deckels 32 aufbringt und den Deckel 30 örtlich in einer inerten Umgebung, z.B. einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, bis das Lot fließt und eine gleichförmige Verbindung zwischen Rand und Deckel ; bildet. Eine örtliche Erhitzung des Deckels 32 ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Verbindungen der Bauelemente 24 und j ■
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26 bei der Bildung der Lotverbindung 34 nicht beschädigt werden. Die Entlüftungsöffnung 36 wird durch Schmelzen des Lotes in der Vertiefung 38 geschlossen, um die Anordnung endgültig abzudichten.
Pig, 2 zeigt die Querschnittsansicht einer Platte 13, die gegenüber der in Pig. I dargestellten Platte 12 etwas abgewandelt ist. Die Platte 13 entspricht im wesentlichen der Platte 12 mit der Ausnahme, daß der Rand 30 von einer Nut 49 in der oberen Hauptfläche 14 umgeben und über die Ebene der Hauptfläche 14 hochsteht. Die Nut 49 und der hochgezogene Rand 30 ergeben eine bessere thermische Isolation, wenn der Deckel 32 zur Herstellung der Lotverbindung 34 örtlich erhitzt wird.
Wie Pig. 3 zeigt, können zusätzliche Platten, z.B. eine Platte 52 auf der mit der Wärmesenke 50 verbundenen Platte 20 angeordnet werden, so daß ein senkrechter Stapel entsteht. Eine gute Wandverbindung zwischen den beiden Platten 12 und 52 wird durch eine dünne Siliconfettschicht 53 zwischen diesen beiden Platten hergestellt. Wenn die Platten in der angegebenen Weise senkrecht aufeinandergestapelt werden, fließt die in der oberen Platte 52 freiwerdende Wärme zur Außenseite der Platte und dann längs der Seitenwand 20 der unteren Platte 12 zur Wärmesenke ! 50.
Die Metallstifte 4ö können durch ein Klemmen-Übergangsstück 54 mit flachen oder bandförmigen Leitungen 58 verbunden werden. Das Übergangsstück 54 enthält einen Streifen 56 aus Isoliermaterial, z.B. einen Kunststoffpreföteil, in den eine An-
zahl von Metallstreifen 58 eingebettet sind, deren eines Ende jeweils mit dem äußeren Ende eines der Stifte !iP verbunden ist. Das Übergangsstück 54 ist durch Schrauben 60 an der Platte 52 be-
; festigt.
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BAD ORIGINAL
BeJ3piel II
Eine abgewandelte Ausführungsform der Anordnung aus senkrecht aufeinandergestapelten Gehäusen ist in Fig. 4 dargestellt. Der Stapel 70 enthält mehrere vertikal übereinander angeordnete Platten, z.B. drei Platten 72, 73 und 71J9 in denen jeweils hybride Leistungsschaltungen montiert sind. Die Platten 72 bis 7H sind zwischen eine relativ dicke Deckplatte 76 an eine relativ dicke Bodenplatte 78 eingeklemmt. Die Seitenwände der Platten 72 bis 74 sowie die Platten 76 und 78 sind mit Kanälen 80 versehen, die um die Hohlräume der Platten verteilt sind und mit entsprechenden Kanälen 80 in den areinandergrenzenden Platten 72 bis 71J bzw. der Deckplatte 76 und der Boden 78 in Verbindung stehen. Durch die Kanäle 80 kann im Betrieb eine gut wärmeleitende Flüssigkeit geleitet werden, um die im Betrieb der eingeschlossenen Schaltungen freiwerdende Wärme abzuführen.
Beispiel III
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung senkrecht aufeinander gestapelter Gehäuse ist in Fig. 5 dargestellt. Die Anordnung 100 enthält ein Metallgehäuse 102 guter Wärmeleitfähigkeit, einen abnehmbaren Metalldeckel 104 und eine Anzahl von für sich nicht hermetisch abgeschlossenen wannenartigen Metallplatten, z.B. drei Platten 106, 107 und 108, in denen jeweils eine hybride Leistungsschaltung angeordnet ist. Die Platten 106 bis 108 können z.B. die Steuer-, Treiber- bzw. Ausgangsschaltung einer Hochstrom-Schaltvorrichtung enthalten.
Das Gehäuse 102 hat eine obere Seite 110, eine untere Seite 112 und eine Seitenwand 11*1, die einen Hohlraum 116 im Gehäuse begrenzen. Die Oberseite 110 hat einen Rand 118, der eine öffnung 120 umschließt, welche mit dem Hohlraum 116 in Verbindung steht.
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Die Platten 106 bis 108 werden im Hohlraum 116 aufeinandergestapelt und der Deckel 104 wird entfernbar in der Öffnung 120 an der Oberseite 110 montiert. Der Rand des Deckels 104 paßt genau in den Rand 116 und weist eine Lotschicht 122 auf, die nach dem Erhitzen eine wieder schmelzbare Lotverbindung zwischen dem Rand und dem Deckel bildet.
Die in den Platten 106 bis 108 enthaltenen Schaltungen
werden durch eine Anzahl von Durchführungsklemmen 124, die durch den Deckel 104 führen, mit Punkten außerhalbjdes Gehäuses 100 ver- ! bunden. Die Klemmen 124 sind jeweils durch ein verhältnismäßig hitzebeständiges Glasformteil 126 gegen den Deckel 104 isoliert. : Beispielsweise kann die Klemme 124a mit einer Leitung 128a der Steuerschaltung in der Platte 106 verbunden sein, während die Klemme 124b mit der Leitung 128b der Ausgangsschaltung in der Platte 108 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Platten 106 bis 108 erfolgt in entsprechender Weise, z.B ist eine Leitung 128 c der Steuerschaltung in der Platte 106 mit einer Leitung 128d der Treiberschaltung in der Platte 107 verbunden.
Das Gehäuse gemäß der Erfindung hat viele Vorzüge. Erstens gewährleistet es eine gute Wärmeableitung. Zweitens ermöglichen die schmelzbare Lotverbindung und der abnehmbare Deckel, daß das Gehäuse später wieder geöffnet und die in ihr befindliche Schaltung repariert werden können. Drittens ist eine echte hermetische Abdichtung des Gehäuses gewährleistet, da es nur Metall-Metall- und Metall-Glas-Verbindungen zur Abdichtung enthält. Viertens ist das Gehäuse hinsichtlich Konstruktion und Schaltungsaufbau sehr anpassungsfähig, so daß es für eine Vielzahl verschiedener Schaltungsanordnungen und Anwendungen verwendet werden kann.
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Claims (1)

  1. -9- ι
    Patentansprüche
    l.J Gehäuse für Halbleiterschaltungen gekennzeichnet durch eine Platte (12) mit einem zwei ; entgegengesetzte äußere Hauptflächen (14, 16) aufweisenden Metallkörper guter Wärmeleitfähigkeit, der einen Hohlraum (16) ent-
    hält, welcher durch eine Seitenwand (20) sowie einen bei der einejn Hauptfläche (16) befindlichen Boden (22), auf dem mehrere Halbleiterbauelemente montierbar sind, begrenzt ist und mit einer Öffnung (28) in der anderen Hauptfläche (14) in Verbindung steht; einem an der Öffnung lösbar befestigten Metalldeckel (32), der j durch eine Abdichtanordnung (30, 34) bezüglich des Umfanges der ;
    Öffnung (28) abgedichtet ist; und eine Verbindungsanordnung (40) ! zum Verbinden der im Hohlraum angeordneten Bauelemente (24,26) und Punkten außerhalb der Scheibe (12).
    2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsanordnung eine Anzahl von Metallstiften (40) umfaßt, die isoliert durch die Seij tenwand (20) geführt sind und in den Hohlraum (18) vorspringen.
    j 3· Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch g e -
    jkennzeichnet, daß die Stifte durch schwerschmelzendes Glas (42) isoliert sind.
    ; 4. Gehäuse nach Anspruch 2 oder 3» dadurch
    !gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Seitenjwand (20) ein Klemmen-Übergangsstück (54) angeordnet ist, das einen Isolierkörper (56) enthält, in den eine Anzahl von bandförmigen Leitungen (58) eingebettet sind, die jeweils zu einem der !Stifte (40) führen.
    5. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsanordnung eine Anzahl von Klemmen (124) enthält, die isoliert durch den Deckel
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    ί 104) hindurchgeführt sind.
    6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung von einem erhöhten Rand (30) umgeben ist, auf den der Deckel (32) genau paßt; daß der Rand (30) mit dem Umfang des Deckels (32) durch eine Lotverbindung verbunden ist, die durch Erwärmen wieder lösbar ist und daß der Deckel eine verschließbare Entlüftungsöffnung (36) aufweist.
    7. Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (30) von einer Nut (49) in der anderen Hauptfläche (14) umgeben ist,
    8. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Hauptfläche (14) der Platte (12) eine zweite hermetisch verschlossene Metallplatte (52) montiert ist, die ebenfalls einen Hohlraum aufweist, in dem Halbleiterbauelemente angeordnet sind (Pig. 3)·
    9. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Platten (72, 73, 74) Kanäle (80) enthalten, die um die Hohlräume verteilt sind und eine Leitung zum Himlurchlassen einer Flüssigkeit guter Wärmeleitfähigkeit zur Abführung von Verlustwärme bilden, die in den Bauelementen entsteht, die in den Hohlräumen enthalten sind.
    10. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Platten (12, 52) eine Schicht (53) aus Siliconfett angeordnet ist,
    11. Gehäuse nach Artspruch 1, gekennzeic hnet durch eine Vorrichtung (48, Pig. 1) zur Befestigung der einen Hauptfläche (16) an einer Wärmesenke oder einen; Kühlkörper (50).
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    12. Luftdichtes Gehäuse für Halbleiterschaltungen, gekennzeichnet durch einen Metallkasten1 (102) guter Wärmeleitfähigkeit mit entgegengesetzten oberen und unteren Hauptflöchen (110, 112) und einer Seitenwand (Il4), die einen Hohlraum (116) begrenzen, in dem mehrere Metallplatten (106, 107, 108) senkrecht aufeinandergestapelt angeordnet sind, welche jeweils einen Hohlraum aufweisen, in dem mehrere Halbleiterbauelemente montiert sind; daß die obere Seite (110) eine zu dem Hohlraum (116) führende Öffnung (120) mit einem Rand (118) aufweist, daß der Rand mit dem Umfang eines Metalldeckels (104) durch eine wieder schmelzbare Lotverbindung lösbar verbunden ist und daß Durchführungen (124) vorgesehen sind, die Klemmen (128) der Platten (106 bis 108) mit dem Äußeren des Metallgehäuse (102) verbinden.
    Ί09&2 5718 92
    Lee
    rs e 11 e
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