DE2939732A1 - Halbleiterdiodenanordnung und zweigweggleichrichter, insbesondere fuer wechselstromgeneratoren in kraftfahrzeugen - Google Patents

Halbleiterdiodenanordnung und zweigweggleichrichter, insbesondere fuer wechselstromgeneratoren in kraftfahrzeugen

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Description

Halbleiterdiodenanordnung und Zweiweggleichrichter, insbesondere für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahr zeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiudenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Halbleiterdiodenanordnungen sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt und werden z. B. in Kraftfahrzeugen zum Gleichrichten des von einem vom Verbrennungsmotor getriebenen Generator erzeugten Wechsel-oder Drehstromee zur Einspeisung in das Gleichstromnetz des Kraftfahrzeuges verwendet.
Bei der Anordnung bekannter Halbleiterdiodenanordnungen zu diesem Zweck mußte insbesondere auf eine ausreichende Ableitung der bei der Gleichrichtung in den Halbleiterdioden entstehenden Wärme geachtet werden.
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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRB 84 Vorsitzender des Aufsichtsrates: Robert A. Lutz Vorstand: Peter Weiher, Vorsitzender wakJemar Ebers Wilhelm Inden Alfred Langer Hans-Joachim Lehmann DonaM M. Shultz Stellvertretend: Hermann Dederichs Hans Wilhelm Gab PaulA Quckel Dieter UHsperger
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Bei einer im Kraftfahrzeugbau üblichen Halbleiterdiodenanordnung für eine Gleichrichterschaltung wurden einzeln verkapselte Halbleiterdiodenchipse über entsprechende Drähte zur gewünschten Gleichrichterschaltung zusammengeschlossen. Die Verkapselung der Halbleiterdiodenchipse bestand hierbei aus Metallbüchsen in denen die flachen Halbleiterdiodenchipse mit ihrer einen Fläche angelötet waren, während ihre andere Fläche über ein Kontaktteil und einen Leiter der sich durch eine Versiegelung der Metallbüchse erstreckte, angeschlossen war. Zwischen der Versiegelung der Metallbüchse und dem Halbleiterdiodenchip lag normalerweise ein Luftraum, so daß die Wärmeabfuhr aus dem Halbleiterdiodenchip im wesentlichen nur nach einer Seite über die Metallbüchse erfolgen konnte. Abgesehen von dieser einseitigen Wärmeableitung wies diese Halbleiterdiodenanordnung noch den Nachteil auf, daß die für die Wärmeableitung erforderliche Verkapselung der Halbleiterdiodenchipse wesentlich teurer war als die Halbleiterdiodenchipse selbst.
Bei einer weiteren üblichen Halbleiterdiodenanordnung wurde der Halbleiterdiodenchip zwischen zwei Kontaktteilen aufgenommen, deren Enden verbreitert waren und mit dem Chip verlötet. Die gesamte Anordnung wurde hierauf in Kunstharz eingegossen.
Diese bekannte Halbleiterdiodenanordnung war zwar vom Bauaufwand her einfacher, wies jedoch ein geringeres Wärmeableitungsvermögen als die erstgenannte Halbleiterdiodenanordnung auf.
Beide bekannten Halbleiterdiodenanordnungen weisen darüberhinaus den Nachteil auf, daß die einzelnen Dioden über Leiter zu der jeweils gewünschten Gleichrichters chaltung zusammengeschlossen werden müssen.
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Bei einer weiteren bekannten Halbleiterdiodenanordnung wurden die Halbleiterdiodenchipse auf einer Keramikplatte angeordnet und über Metallbüchsen abgedeckt. Zwischen den von den Metallbüchsen abgedeckten Halbleiterdiodenchipsen und den Metallbüchsen war wieder ein Luftraum, so daß infolge der schlechten Wärmeleitung dieses Luftraumes die Wärmeableitung im wesentlichen nur über die Keramikplatte erfolgen mußte.
Diese bekannte Halbleiterdiodenanordnung war für den Einsatz in einer Gleichrichterschaltung in einem Kraftfahrzeug nur ungenügend geeignet, da bei diesem Anwendungszweck eine verhältnismäßig hohe Wärmeableitung erforderlich ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiterdiodenanordnung zu schaffen, die wesentlich einfacher und kostengünstiger in der Herstellung ist und ein besonders hohes Wärmeableitungsvermögen besitzt. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung die neue Halbleiterdiodenanordnung derart auszugestalten, daß unmittelbar bei der Herstellung der Halbleiterdiodenanordnung gleichzeitig eine erwünschte Gleichrichterschaltung dieser Halbleiterdioden erzielt wird.
Gemäß der Erfindung werden diese beiden Aufgaben gelöst,in dem eine Halbleiterdiodenanordnung der im Oberbegriff genannten Art, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und der Ansprüche 2, 3 und 9 aufgezeigten Merkmale aufweist bzw. zur Erzielung einer Gleichrichterschaltung die in den Patentansprüchen 4, 5, 6, 7 und 8 aufgezeigten Merkmale aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Halbleiterdiodenanordnung wird nicht nur eine Halbleiterdiodenanordnung geschaffen, die einfach und kostengünstig in der Herstellung ist und ein hohes Wärmeableitvermögen
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aufweist, sondern darüberhinaus durch die besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleiterdiodenanordnung eine Möglichkeit eröffnet, daß unmittelbar bei der Herstellung der Halb Ie iterdi ödenanordnung gleichzeitig eine gewünschte Gleichrichterschaltung hergestellt wird, die infolge ihrer besonderen Vorteile, wie einfache und kompakte Bauweise, geringes Gewicht und hohes Wärmeableitungsvermögen, besonders für die Anwendung an Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen geeignet ist. Die kompakte und leichte Bauweise und die hohe Wärmeableitfähigkeit ermöglichen es die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung günstiger innerhalb der Baueinheit eines Wechselstromgenerators eines Kraftfahrzeuges anzuordnen.
Die Erfindung wird anhand in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schrägrißansicht einer Gleichrichter-
anordnung gem. der Erfindung für die Anordnung innerhalb eines Wechselstromgenerators;
Fig. 2 eine Explosionsansicht der Einzelteile der
erfindungsgemäßen Zweiweggleichrichteranordnung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Gleich-
r ic hte r an or dnung;
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Fig. 4 eine Seitenansicht der Gleichrichteranordnung
nach Fig. 3;
Fig. 5 ein Schaltbild der in den Fig. 2 und 3 ge
zeigten Zweiweggleichrichteranordnung und
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in
Fig. 1.
In den Figuren 1 und 6 ist ein Wechselstromgenerator 10 mit einem Gleichrichter 20 versehen, der so klein ist, daß auch noch ein Spannungsregler 11 innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet werden kann. In vorteilhafter Weise ist der Gleichrichter 20 im Gehäuse 12 derart angeordnet, daß er durch eine Zugangsöffnung leicht erreichbar iet. Durch die Anordnung des Spannungsreglers 11 innerhalb des Wechselstromgenerators 10 ist es möglich, eine aufwendige Verdrahtung zwischen dem Gleichrichter 20 und dem Spannungsregler 11 zu vermeiden.
In Fig. 2 sind die einzelnen Bauteile des Gleichrichters 20 in Explosionsdarstellung gezeigt. Der Gleichrichter 20 besteht aus einer unteren Keramikplatte 21 mit zwei M<>tallbelägen 22 und 23 und aus oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 bzw. 45' und Metallbelägen 42, 44 und 46 bzw. 46'a und b. Die obere Keramikplatte 45' , wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, unterscheidet sich gegenüber der oberen Keramikplatte 45,wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, nur durch eine Bohrung 47' , über die der Metallbelag 45'a über einen Leiter angeschlossen werden kann.
In beiden Gleichrichterausführungen sind sechs Halbleiterdiodenchipse 31, 32, 33, 34, 35 und 36 schachbrettartig zwischen der un-
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teren Keramikplatte 21 und den oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 bzw. 45' angeordnet. Zur Erleichterung der Herstellung sind die Halbleiterdiodenchipse 31 bis 36 mit oberen Lötflächen 31 a bis 36 a und mit unteren Lötflächen 31 b bis 36 b versehen.
Wie insbesondere aus den Fig. 2, 3 und 4 zu ersehen ist, ist die untere Keramikplatte 21 im wesentlichen als ebene rechteckige Scheibe ausgebildet, deren eine große Oberfläche 24 den Chipsen zugewandt ist, während die anders große Oberfläche 25 von den Chipsen abgewandt ist. Die untere Keramikplatte 21 ist an einer Seitenkante mit Abschräguagen 26 und 27 versehen, die ein Einsetzen dos Gleichrichters 20 in das Gehäuse 12 des Wechselstromgenerator 10 erleichtern sollen.Ein Metallbelag 22 erstreckt sich etwa über ein Drittel der großen Oberfläche 24 und um die Seitenkante 28 herum und über die gesamte große Oberfläche 25. Ein Metallbelag 23 erstreckt sich im Abstand zum Metallbelag 22 über die restlichen zw?M Drittel der großen Oberfläche 24.
Die obere Keramikplatte 41 ist gleichfalls als ebene, rechteckige Scheibe ausgebildet, deren eine groß·» Oberfläche 41 a den Chipsen und 32 abgewendet ist und deren große Oberfläche 41 b den Chipsen 31 und 32 zugewendet ist. Eine Metallbelag 42 erstreckt sich über die große Oberfläche 41 a, über die Seitenkante 41 c, die große Oberfläche 41 b und die Seitenkante 41 d, also wie ein endloser Gürtel über die gesamt'* obere Keramikplatte 41. Der Mttallbelag 42 ist mit einem winkelförmigen Kontaktteil 42 a verbunden, dessen aufrechter Schenkel eine Kontaktzunge für den Anschluß einer Phase des Wechselstromgenerators bildet.
In gleicher Weise 3ind die oberen Keramikplatten 43 und 45 mit entsprechenden umlaufenden Metallbelägen 44 und 46 versehen.
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Lediglich in F g. 2 ist eine weitere Ausführungsform der dritten oberen Keramikplatte 45' gezeigt, bei der die Metallbeläge 46'a und 46' b nicht umlaufend ausgebildet sind sondern über eine Bohrung 47* und einen Leiter miteinander verbunden werden können. Eine solche Ausführung der Metallbeläga kann zweckm^ssig sein, wenn die endlose, gürtelartige Anordnung der Mei.allbeläge aus irgendwelchen Gründen schwierig sein sollte.
Die Anordnung der Metallbeläge 42, 44 und 46 in Form von endlosen, Metallgürteln oder Metallbändern ist jedoch vorzuziehen, da auf diese WV!se die entsprechenden Halbleiterdiodenchipse 31 und 32 bzw. 33 und 34 bzw. 35 und 36 über zwei getrennte leitende Wege angeschlossen sind, wodurch sich ein geringerer Widerstand und eine geringere Erwärmung ergibt.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist die Länge der oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 etwas geringer als d:e Breite der unteren Keramikplatte 21 und die Breite der oberen Keramikplatten 41, 43 und ist so gewählt, da3 sie nebeneinander auf der Länger der unteren Keramikplatte 21 Platz finden.
Die Ha!bleiterdiodenchipse 31 und 32 sind hierbei in einem solchen Abstand angeoi-dnet, daß sie, werden sie zwischen der oberen Keramikplatte 41 und der unteren Keramikplatte 21 angeordnet, der Chip 31 mit seiner oberen Lötfläche 31 a gegen den Metallbelag 42 und mit seiner unteren Lötfläch'.· 31 b gegen den Mci.allbelag 22 liegt, während der Chip 32 mit seiner oberen Lötfläche 32 a gegen den Mc·,allbelag 42 und mit seiner unteren Lötfläche 32 b gegen den Me tallbelag 23 liegt. In ähnlicher W.vLse sind die Chipse 33 und 34 zwischen der oberen Keramikplatte 43 und der unteren Keramikplatte 21 angeordnet und mit den entsprechenden Mf.tallbe lägen verbunden.
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Das gleiche gilt für die Chipse 35 und 36 in Verbindung mit der oberen Keramikplatte 45 und der unteren Keramikplatte 21. Während die oberen M«tallbeläge 42, 44 und 46 bzw. 46' a und b über winkelförmige Kontaktteile 42 a, 44 a und 46 a bzw, über die Bohrung 47' elektrisch angeschlossen werden können, werden die Mßtallbeläge 22 und 23 über entsprechende Leiter elektrisch angeschlossen.
In Fig. 5 ist die Schaltung der Gleichrichteranordnung gezeigt, wie sie in den Fig. 2, 3 und 4 beschrieben wurde. Es handelt sich hierbei um eine Dvei-Phasen-Brücken-Schaltung. wie sie für einen Drei-Phasen -Wechselstromgenerator erforderlich ist. Die drei Anschlußklemme 51, 52 und 53 entsprechen hierbei den Kontaktteilen 42 a, 44 a und 46 a. Die sechs Dioden 61, 62, 63, 64 65 und 66 entsprechen hierbei den Halbleiterdiodenchipsen 31, 32, 33, 34, 35 und 36. Die Anschlußklemmen 54 und 55 entsprechen hierbei den Leitungsanschlüßen an den Metallbelägen 22 und 23.
Bei der Herstellung des Gleichrichters 20 werden die Keramikplatten 21, 41, 43 und 45 z. B. aus einem Material wie Beryllerde hergestellt. Beryllerds ist besonders geeignet, da es elektrisch isolierend ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein anderes Material, das ebenso verwendet werden kann, jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist Alaun- oder Tonerde. Auf die aus diesen Materialien hergestellten Keramikplatten wird nun eine Molybdän-Mangan-Paste an den Stellen aufgebracht und eingebrannt, an denen ein Metallbelag gewünscht wird. Auf diese eingebrannte Molybdän-Mangan-Schicht wird nun Kupfer durch Elektroplattieren aufgebracht. Die Molybdän-Mangan-Schicht weist zwar eine geringere Leitfähigkeit als die Kupferlage auf, sie wirkt jedoch als Ausgleich zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kupier und dem Keramikmafirial "und cfeiVT-CTlbleiterdiodenchipsen.
ORIGINAL INSPECTED
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Eine gewünschte Schaltungsanordnung auf den Keramikplatten kann durch Abdecken der Kupferlage mittels Masken und Herausätzen der nicht erwünschten Teile hergestellt werden.
Nachdem die Keramikplatten mit den Metallbelägen versehen wurden, werden die Ilalbleiterdiodenchipse zwischen den Keramikplatten angeordnet und die gesamte Anordnung elektrisch erwärmt, so daß die an den Halbleiterdiodenchipsen vorgesehenen Leitflächen sich mit. dan M«;tallbelägen verbinden. Nachdem auf diese Weise die gewünschte Schaltungsanordnung hergestellt wurde, kann das fertige Bauteil mit einem Kunstharz vergossen wei'den, um den Zutritt von korrosiven Flüssigkeiten, wie sie in Kraftfahrzeugen z. B. durch Streusalzwasser gegeben sind, fernzuhalten.
Durch eine entsprechende Anordnung des Gleichrichters 20 im Gehäuse 12 des Wechselstromgenerators 10 kann weiterhin für eine günstige Wärmeableitung gesorgt werden, indem z. B. die untere Keramikplatte 21 am Gehäuse 12 mittels eines wärmeleitenden Klebers angeordnet wird, so daß eine Wärmeableitung über das Gehäuse 12 gesichert wird, während die oberen Keramikplatten 41, 43 und 45 durch Luftzirkulation gekühlt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden der Aufbau und die Abmessungen eines Gleichrichters 20, wie er für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, angegeben. Das Material der Keramikplatten kann z. B. zu 99, 5 % aus B^ryllerde bestehen und die Metallbeläge können aus einer 0,025 mm dicken Kupferlage mit einem Wärmeübergangs widerstand von 2 Celsius pro Watt bestehen. Die Halbleiterdiodenchipse können Silikonplättchen von 3.81 mal 4, 57 mm sein und ihre Lötflächen sind mit einem Lot bestehend aus 10 % Zinn und 90 % Blei versehen. Die Abmessungen der unteren Keramikplatte 21 können 30, 5 mal 21, 3 mm bei ein<&3zOc0t3 3c£i&6$&m betragen, während
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die Abmessungen dar oberen Keramikplatten 41,43 und 45,12,7Tnal 25, 4 mm bei einer Dicke von 1, 27 mr_i betragen können. Die Breite der Mi'tallbeläge 42, 44 und 46 an den oberen Keramikplatten kann hierbei 10,2 mm betragen.
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Claims (1)

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    Patentanspruch;
    Halblc'iterdiodenanordnung mit einem auf einer Keramikplatte angeordneten und über Kontaktteile angeschlossenen Halbleiterdiodenchip dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterdiodenchip (z. B. 31) zwischen Kontaktteilen (z. B. 22 und 42) und einer oberen und unteren Keramikplatte (z. B. 21 und 41) sandwichartig angeordnet ist und die Keramikplatten eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
    Halbleiterdiodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktteile (z. B. 22 und 42) aus elektrisch leitenden Metallbelägen bestehen, die sich über zumindest einen Teil der Oberflächen der oberen und unteren Keramikplatten (z. B. 41 und 21) erstrecken.
    Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei HaIbleiterdiodenchipse auf einer gemeinsamen unteren Keramikplatte angeordnet sind, jedoch über zwei getrennte obere Keramikplatten abgedeckt sind.
    Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Halbleiterdiodenchipse (31 bis 36) auf einer gemeinsamen, unteren Keramikplatte (21) angeordnet sind, die jeweils paarweise über drei getrennte, obere Keramikplatten (41, 43 und 45) abgedeckt sind.
    Halbleitcrd:odenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Keramikp'aUe (21) mit einem ersten Metallbelagstreifen (22) versehen ist,
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    auf dem eine erste Gruppe von drei Halbleiterdiodenchipse (31, 33 und 35) angeordnet sind und mit einem zweiten Motallbelagstreifen (23) versehen ist, auf dem eine zweite Gruppe-von drei Halbleiterdiodenchipse (32, 34 und 36) angeordnet sind und wobei jede der drei oberen Keramikplatten (41, 43 und 45) mit je einem Metallbelagstreifen (42. 44 und 46) versehen ist, der jeweils einen Halbleiterdiodenchips aus der ersten und aus der awe it en Gruppe kontaktiert und wobei die drei Metallbelagstreifen (42, 44 und 46) mit den drei Phasen eines Drehstromgenerators verbindbar sind und die beiden Metallbelagstreifen (22 und 23) der unteren Keramikplatte (21) mit einem Gleichstromnetz verbindbar sind.
    6. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Keramikplatte (21) eben ist und zwei parallele, große Oberflächen (24 und 25) aufweist und wobei sich der erste Metallbelagstreifen (22) von der den Halbleiterdiodenchipsen anliegenden Oberfläche (24) um eine Seitenkante (28) herum auf und über einen Teil der abliegenden Oberfläche (25) erstreckt.
    7. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Keramikplatten (41, 43 und 45) eben sind und zwei parallele, große Oberflächen aufweisen und wobei sich die Metallbelagstreifen (42, 44 und 46) von der den Halbleiterdiodenchipsen anliegenden Oberfläche um die Seitenkanten herum auf und über einen Teil der abliegenden Oberfläche erstrecken.
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    8. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Keramikplatte (45') eine Bohrung (47') zum kontaktieren des dem Halbleiterdiodenchip anliegenden Metallbelagstreifen (46'a) aufweist.
    9. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mctallbelagstreifen aus einer auf einer auf die Keramikplatten aufgebrachten und eingebrannten Molybdän-Mangan-Schicht durch Elektroplattierung aufgebrachten Kupferbelag bestehen.
    10. Halbleiterdiodenanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatten vorzugsweise aus Beryllerdt; bestehen.
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DE2939732A 1978-10-23 1979-10-01 Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen Expired DE2939732C2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

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US05/954,008 US4218694A (en) 1978-10-23 1978-10-23 Rectifying apparatus including six semiconductor diodes sandwiched between ceramic wafers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE2939732A1 true DE2939732A1 (de) 1980-04-24
DE2939732C2 DE2939732C2 (de) 1984-09-20

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DE2939732A Expired DE2939732C2 (de) 1978-10-23 1979-10-01 Halbleiterdiodenanordnung, insbesondere Zweiweggleichrichter für Wechselstromgeneratoren in Kraftfahrzeugen

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JP (1) JPS5559752A (de)
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