DE3231389A1 - Rectifier arrangement having a semiconductor diode platelet - Google Patents

Rectifier arrangement having a semiconductor diode platelet

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Abstract

A rectifier arrangement on a cooling plate having a semiconductor diode platelet (4) and a cooling metal sheet (1) supporting the diode platelet, the diode platelet (4) being mounted on a copper platelet (23), which is preferably nickel-plated. <IMAGE>

Description

Gleichrichteranordnung mit einemRectifier arrangement with a

Halbleiter-Diodenplättchen Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung auf einer Kühlplatte für einen Wechselstromgenerator, insbesondere einem Drehstromgenerator, mit einem Halbleiter-Diodenplättchen (Chip) und mit einem das Diodenplättchen tragenden Kühlkörper (nach P 31 34 307.4).Semiconductor diode plates The invention relates to a rectifier arrangement on a cooling plate for an alternator, in particular a three-phase generator, with a semiconductor diode plate (chip) and with one that carries the diode plate Heat sink (according to P 31 34 307.4).

Bei bekannten Gleichrichteranordnungen werden als Kühlkörper zur Drehachse des Generators senkrecht stehende Aluminium-Bleche verwendet, die in axialer Draufsicht ringsektorförmig ausgebildet sind und an ihrem äußeren Rand kragenförmig umgebogen sind. Für große Stromstärken sind für den sogenannten Hauptstromgleichrichter bei Drehstromgeneratoren seither für jede der Dioden napfförmige Gehäuse vorgesehen worden, an deren Boden das Diodenplättchen festgelötet und mittels eines auf seiner anderen Seite befestigten Kopfdrahtes anschließbar ist, wobei der zwischen dem Kopfdraht und der Gehäusewand verbleibende Hohlraum mit einem erhärtenden Isolierstoff ausgegossen ist. Derartige Dioden erfordern zu ihrer Aufnahme aus dem Kühlblech gestanzte Löcher, die meist einen durchgezogenen Rand haben, in welchem die Diodengehäuse mit Preßsitz befestigt werden können.In known rectifier arrangements, the heat sink for the axis of rotation of the generator used vertical aluminum sheets, viewed from above in an axial direction Are formed in the shape of a sector of a ring and are bent over at their outer edge in a collar shape are. For large currents, the so-called main current rectifier is included Three-phase generators have since provided cup-shaped housings for each of the diodes been, at the bottom of which the diode plate is soldered and by means of one on its other side attached head wire can be connected, the between the head wire and the cavity remaining in the housing wall is filled with a hardening insulating material is. Such diodes require too their inclusion from the cooling plate punched holes, which usually have a solid edge in which the diode housing can be attached with a press fit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichteranordnung nach P 31 34 307.4 für die eingangs geschilderten Verwendungszwecke zu vereinfachen und die Wärmeabfuhr von dem besonders hoch beanspruchten pn-Übergang im Halbleiter-Diodenplättchen zu verbessern.The invention is based on the object of a rectifier arrangement according to P 31 34 307.4 for the purposes outlined above and the heat dissipation from the particularly highly stressed pn junction in the semiconductor diode plate to improve.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgesehen.According to the invention, to solve this problem are those in the characterizing Part of claim 1 specified measures provided.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in ihrem axial durch den Sockel und ihr Kühlblech geführten Längsschnitt wiedergegeben.In the drawing, several exemplary embodiments of the invention are shown in FIG reproduced their axially guided through the base and its cooling plate longitudinal section.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ebenso wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen als Kühlkörper 1 ein in seiner Stärke vergrößert wiedergegebenes Aluminiumblech vorgesehen. Auf dem Aluminiumblech ist in der Gleichrichteranordnung nach Figur 1 durch Reibschweißen ein ebenfalls aus Aluminium bestehender zylindrischer Sockel 2 befestigt, der vor seiner Befestigung an seiner anderen Stirnseite mit einer aufplattierten Kupferschicht 3 versehen wurde, welche der besseren Deutlichkeit halber in ihrer Stärke erheblich vergrößert wiedergegeben ist.In the first embodiment of Figure 1 is the same as in the other embodiments as a heat sink 1 shown enlarged in its strength Aluminum sheet provided. The rectifier assembly is on the aluminum sheet according to Figure 1 by friction welding a cylindrical also made of aluminum Fastened base 2, which before its attachment to its other end face with a plated copper layer 3 was provided, which for better clarity is reproduced considerably enlarged for the sake of its strength.

Auf der aufkaschierten Kupferschicht ist in bekannter Weise eine dünne Silizium-Diodenscheibe 4 aufgelötet, die eine parallel zu ihren beiden Stirnseiten verlaufende, in der Zeichnung nicht wiedergegebene pn-Übergangsfläche enthält und an ihrer anderen Stirnseite mit einem aus Kupfer bestehenden Kopfdraht 5 verlötet ist. Der mit der Silizium-Scheibe 4 verbundene Endabschnitt des Kopfdrahtes 5 ist zur besseren Kontaktgabe durch Stauchen derart verbreitert, daß der in der Zeichnung wiedergegebene niedere Kopf 6 entsteht.On the laminated copper layer is a thin one in a known manner Silicon diode disk 4 soldered on, one parallel to both of its end faces running, not shown in the drawing contains pn-junction surface and soldered on its other end face to a head wire 5 made of copper is. The end section of the head wire 5 connected to the silicon wafer 4 is so widened for better contact by upsetting that the one in the drawing reproduced lower head 6 arises.

Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und gegen das Eindringen von Feuchtigkeit ist die beschriebene Anordnung aus Sockel 2, Kupferschicht 3, Siliziumscheibe 4 und Kopf 6 des Kopfdrahtes 5 von einer rohrförmigen Hülse 7 umschlossen, welche diese Anordnung konzentrisch umgibt und mit einem aushärtendem Isolierstoff 9 ausgegossen ist.For protection against mechanical damage and against penetration the described arrangement of base 2, copper layer 3, silicon wafer is of moisture 4 and head 6 of the head wire 5 enclosed by a tubular sleeve 7, which surrounds this arrangement concentrically and is filled with a hardening insulating material 9 is.

Soweit beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 gleiche Teile wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 verwendet sind, tragen sie die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1.As far as in the embodiment of Figure 2 the same parts as in Embodiment according to Figure 1 are used, they have the same reference numerals as in Figure 1.

Während beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 der Sockel 2 eine zylindrische Umfangsfläche 8 aufweist, hat der Sockel 12 nach Figur 2 eine durch spanlose Verformung erzeugte Gestalt in Form von zwei Konussen, die sich jeweils gegen die zueinander planparallelen Stirnflächen des Sockels hin verjüngen. Infolge dieser Verjüngung ist es mgölich, mit einfachen Mitteln einen die Befestigung des Sockels 12 auf dem Kühlblech 1 bewirkenden Formschluß zu erzielen. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 wird zur Aufnahme des Sockels 12 eine zylindrische Bohrung 13 vorgesehen. Nach dem Einsetzen des Sockels 12 in diese Bohrung wird von oben und von unten her mit je einem Prägestempel der bei 14 angedeuteten Art der Randbereich des Lochs 13 gegen die Sockelkonusse gedrückt, wobei die in der Zeichnung wiedergegebenen Ringkerben 15 und 16 entstehen. Bei dieser Verformung werden wulstförmige Nasen 17 bzw. 18 gebildet, von welchen der Sockel 12 sicher gehalten wird und eine große Übergangsfläche für die abzuführende Wärme erhält.While in the embodiment of Figure 1, the base 2 is a cylindrical Has circumferential surface 8, the base 12 according to Figure 2 has a non-cutting deformation generated shape in the form of two cones, each opposing each other taper plane-parallel end faces of the base. As a result of this rejuvenation it is possible, with simple means, to attach the base 12 on the To achieve cooling plate 1 effecting form fit. In the embodiment according to FIG 2, a cylindrical bore 13 is provided for receiving the base 12. To the insertion of the base 12 into this hole is carried out from above and below in each case one stamp of the type indicated at 14 of the edge region of the hole 13 against the base cones pressed, being those reproduced in the drawing Ring notches 15 and 16 arise. This deformation results in bulbous noses 17 and 18 formed, of which the base 12 is securely held and a large Transition surface for the heat to be dissipated.

In Figur 2 ist mit unterbrochenen Linien 19 angedeutet, daß der aus Aluminium bestehende Sockel 12 anstelle einer doppelkonusförmigen Mantelfläche eine ballige Form haben kann, welche durch Stauchen des ursprünglich zylindrischen Sockels in seiner Längsrichtung erreicht werden kann.In Figure 2 is indicated with broken lines 19 that the off Aluminum existing base 12 instead of a double-conical outer surface can have spherical shape, which by upsetting the originally cylindrical base can be achieved in its longitudinal direction.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 weist der Sockel 12 ebenfalls eine doppelkonusförmige Mantelfläche auf Zur Aufnahme des Sockels 12 wird zunächst ein im Durchmesser der unteren Sockelstirnfläche 32 entsprechendes Loch aus dem Kühlblech 1 ausgestanzt und dann mittels eines nicht dargestellten Stempels zu einer konischen Vertiefung 33 erweitert. Der überstehende Randabschnitt 34 wird nach dem Einsetzen des Sockels 12 in die Vertiefung 33 mit Hilfe eines Schälstempels 35 gegen den oberen Konus 36 des Sockels gedrückt, wobei für den Sockel 12 eine Halteklammer 37 entsteht. Gleichzeitig wird von dem Schälstempel 35 eine Kralle 38 aus der Oberseite des Kühlblechs 1 ausgeschält, welche zur besseren Verankerung mit dem in Figur 3 nicht wiedergegebenen Isolierstoff dient, wenn dieser in gleicher Weise wie bei Figur 1 und 2 angedeutet, in eine die Gleichrichteranordnung umschließende Hülse eingegossen wird.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the base 12 also has a double-conical outer surface to accommodate the base 12 is first a hole corresponding to the diameter of the lower base end face 32 from the Punched out cooling plate 1 and then by means of a stamp, not shown, to one conical recess 33 expanded. The protruding edge portion 34 is after Insertion of the base 12 into the recess 33 with the aid of a peeling punch 35 against pressed the upper cone 36 of the base, with a retaining clip for the base 12 37 is created. At the same time, the peeling punch 35 has a claw 38 from the top of the cooling plate 1 peeled off, which for better anchoring with the in Figure 3 Insulating material not shown is used if it is used in the same way as for Figure 1 and 2 indicated, in a sleeve surrounding the rectifier arrangement is poured.

Zur Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen dem Isolierstoff ~ urld dem Dioden-Kopfdraht 5 kann dieser zu einer Schlaufe 0 oder zu einer schraubenlinienförmigen Windung verformt sein. In Figur 3 ist in der rechten Hälfte der Zeichnung der Sitz des Sockels 12 vor dem Verstemmen und in der linken Figurenhälfte nach dem mittels des Schälstempels 35 erfolgten Verstemmen wiedergegeben.To increase the adhesive strength between the insulating material and the Diode head wire 5 can form a loop 0 or a helical one Deformed coil be. In Figure 3 is in the right half of Drawing of the seat of the base 12 before caulking and in the left half of the figure reproduced after the caulking performed by means of the peeling punch 35.

Während bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen ein verhältnismäßig dicker Sockel 2 vorgesehen ist, auf dessen dem Halbleiterplättchen 4 zugekehrter Oberseite eine in der Zeichnung der besseren Deutlichkeit halber stark vergrößert wiedergegebene Kupferschicht 3 vorgesehen ist, kann gemäß den Vorschlägen nach den Figuren 4 und 5 zur Erzielung niederer Übergangswiderstände jeweils ein aus Kupferblech ausgestanztes Cu-Plättchen 23 vorgesehen sein, das in der aus Figur 4 erkennbaren Weise allseitig mit einer Überzugsschicht 24 aus Nickel versehen sein kann. Auf dieses Plättchen 23 ist der Si-Xalbleiterchip 4 in der herkömmlichen Weise aufgelötet. Zusammen mit diesem Chip 4 wird dann das Cu-Plättchen 23 unter Verwendung von Ultraschall auf die Aluminium-Kühlplatte 1 aufgelötet bzw. aufgeschweißt. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und 2 ist eine rohrförmige Hülse 7 vorgesehen, welche zusammen mit einem den Hohlraum ausfüllenden, eingegossenen Isolierstoff 9 eine sichere, gegen Feuchtigkeit und mechanische Beschädigung schützende Umhüllung ergibt.While in the previously described embodiments a relatively thick base 2 is provided, on which the semiconductor wafer 4 facing Upper side one in the drawing for the sake of clarity greatly enlarged reproduced copper layer 3 is provided, according to the proposals according to the Figures 4 and 5 each one made of sheet copper to achieve lower contact resistances punched out Cu plate 23 can be provided, which can be seen in FIG Way can be provided on all sides with a coating layer 24 made of nickel. on the silicon semiconductor chip 4 is soldered onto this plate 23 in the conventional manner. Together with this chip 4, the Cu plate 23 is then made using ultrasound soldered or welded onto the aluminum cooling plate 1. As in the exemplary embodiment according to Figure 1 and 2, a tubular sleeve 7 is provided, which together with a poured-in insulating material 9 that fills the cavity is a safe, against Enclosure that protects against moisture and mechanical damage.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist wie oben beschrieben ein vorzugsweise allseitig vernickeltes Cu-Plättchen 23 unmittelbar auf das Kühlblech 1 aufgeschweißt.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, a is as described above copper plate 23, preferably nickel-plated on all sides, directly on the cooling plate 1 welded on.

Zusätzlich sind mehrere Halteklauen 38 wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 in unmittelbarer Näher des Plättchens 23 aus dem Kühlblech 1 ausgeschäit. Diese Klauen erhöhen die mechanische Haftung der Isolierstoff-Vergußmasse 9, wenn diese in den von der Hülse 7 umschlossene Hohlraum in flüssigem Zustand eingebracht wird.In addition, there are several holding claws 38 as in the exemplary embodiment According to FIG. 3, in the immediate vicinity of the plate 23, cut out of the cooling plate 1. These claws increase the mechanical adhesion of the insulating material sealing compound 9, if this is introduced in the liquid state into the cavity enclosed by the sleeve 7 will.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß gestalteten Gleichrichteranordnung besteht darin, daß ein sehr guter Wärmeübergang vom Halbleiterscheibchen 4 zu dem Kühlblech 1 gewährleistet ist und demgemäß eine höhere Stromdichte im Gleichrichter ermöglicht wird.The particular advantage of the rectifier arrangement designed according to the invention is that a very good heat transfer from the semiconductor wafer 4 to the Cooling plate 1 is guaranteed and accordingly a higher current density in the rectifier is made possible.

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Claims (5)

Ansprüche @ Gleichrichteranordnung auf einer Kühlplatte für einen Wechselstromgenerator, insbesondere einen Drehstromgenerator, mit einem Halbleiter-Diodenplättchen und mit einem das Diodenplättchen tragenden Aluminium-Kühlkörper nach P 31 34 307.4), dadurch gekennzeichnet, daß das Diodenplättchen (4) auf ein vorzugsweise vernickeltes Cu-Plättchen (23) aufgelötet ist.Claims @ rectifier arrangement on a cooling plate for one AC generator, in particular a three-phase generator, with a semiconductor diode plate and with an aluminum heat sink carrying the diode plate according to P 31 34 307.4), characterized in that the diode plate (4) is preferably nickel-plated Cu plate (23) is soldered on. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise vernickelte Cu-Plättchen (23) auf den aus Aluminium bestehenden Kühlerkörper (l) aufgeschweißt ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that it is preferably nickel-plated copper plates (23) on the aluminum radiator body (l) is welded on. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) mit dem vorzugsweise vernickelten Cu-Plättchen durch Ultraschall verweilt ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the heat sink (1) is dwelled with the preferably nickel-plated Cu plate by ultrasound. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe des Cu-Plättchens (23) aus dem aus Aluminiumblech hergestellten Kühlkörper (1) durch Formschlußmittel insbesondere aus dem Blech herausgedrückte und gegen das auf das Blech auf gesetzte Plättchen (23Y gerichtete Nasen (15, 16, 37) oder Klauen (38) vorgesehen sind.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that in the immediate vicinity of the Cu plate (23) made of aluminum sheet Heat sink (1) particularly pressed out of the sheet metal by positive locking means and lugs (15, 16, 37) or claws (38) are provided. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cu-Plättchen (23), das Diodenplättchen (4) und ein mit der Oberseite des Diodenplättchens verbundener Ansehluß- Kopfdraht (5) von einer auf den Kühlkörper (1) aufgesetzten, zum Diodenplättchen wenigstens annähernd konzentrischen Hülse (7) umschlossen ist, die mit einer erhärtenden Vergußmasse (9) ausgegossen ist.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the Cu plate (23), the diode plate (4) and one connected to the top of the diode plate Affiliation Head wire (5) from one placed on the heat sink (1), at least approximately concentric sleeve (7) is enclosed to the diode plate, which is filled with a hardening potting compound (9).
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