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Halbleiteranordnung
Es sind Halbleiteranordnungen bekannt, die einen im wesentlichen einkristallinen plattenförmigen
Halbleiterkörper besitzen, der mit einer Trägerplatte grossflächig verbunden ist, die aus einem Material be- steht, das eine gute elektrische Wärmeleitfähigkeit besitzt und einen Wärmedehnungskoeffizienten, der nicht wesentlich von dem Wärmedehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials abweicht. Bei Verwen- dung von Germanium oder Silizium kann die Trägerplatte z. B. aus Molybdän oder Wolfram bestehen.
Diese Trägerplatte ist meist mit einem Kühlkörper verbunden, beispielsweise einem Kupferklotz mit
Kühlfahnen, einem Kühlwasserkreislauf od. dgl. Die Verbindung der Trägerplatte mit dem Kühlkörper muss möglichst grossflächig sein, damit ein guter Wärmeübergang und ein geringer elektrischer Widerstand der Übergangsstelle gewährleistet ist. Bei Verwendung von Weichlot, beispielsweise Zinnlot. Blei- lot, kann es vorkommen, dass bei höheren Belastungen und entsprechend starker Wärmeentwicklung die
Schmelztemperatur des Lotes örtlich überschritten und dadurch die Verbindung gelöst wird. Bei Verwen- dung von Hartlot, wie Silberlot od. dgl., kann die erforderliche Löttemperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des vorher fest mit der Trägerplatte verbundenen Halbleiterelementes führen.
Die Anwendung von Druck, Flussmitteln und andern Hilfsmitteln zur Herstellung solcher Lötverbindungen kann mit störenden Nebenwirkungen, wie mechanischen Spannungen, Verunreinigungen od. dgl., verbunden sein, welche die elektrischen Eigenschaften der Halbleiteranordnung verschlechtem oder ihren Bestand überhaupt gefährden.
Ferner sind Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen die mit dem Halbleiterkörper verbundene Trägerplatte ohne Lötung od. dgl. mit einem aus Weichkupfer bestehenden Kuhlklotz dadurch verbunden ist, dass die Trägerplatte mindestens teilweise in eine Ausnehmung des Kühlklotzes eingebracht und durch plastische Verformung des letzteren befestigt ist.
Diese beispielsweise aus der deutschen Auslege- schrift Nr. 1098103 bekannte Bauform ist aber bei Verwendung einer Trägerplatte, deren Wärmedehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials ähnlich ist, nicht anwendbar, weil sich die lediglich durch plastische Verformung des Kühlkörpers herbeigeführte Verbindung im Betrieb durch wiederholte Erwärmung und Abkühlung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung der Trägerplatte und des Kühlkörpers lokkern bzw. lösen würde.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Halbleiteranordnungen zu vermeiden und eine betriebssichere, auf die Dauer auch bei häufig wechselnden elektrischen Beanspruchungen beständige Druckkontaktverbindung zwischen der bereits mit dem Halbleiterkörper verbundenen Trägerplatte einerseits und einem aus gut leitende m Metall bestehenden Anschlusskörper anderseits zu schaffen.
Demgemäss betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung mit plattenförmigem, im wesentlichen einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, mit einer auf einer Flachseite befestigten, beispielsweise anlegierten Metallplatte mit ähnlicher Wärmedehnungszahl wie der Halbleiterkörper und mit einer grossflächigen, gutleitenden Druckkontaktverbindung zwischen dieser Metallplatte und einem Stromzuführungsteil, dessen Kontaktfläche mindestens nahezu so gross wie die Verbindungsfläche zwischen der Metallplatte und dem Halbleiterkörper oder grösser ist.
Erfindungsgemäss ist die eine der beiden Kontaktflächen der Druckkontaktverbindung aus einem Edelmetall wie Silber, die andereaus einem mit diesem Edelmetall nicht legierenden Metall gebildet und min-
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destens eine dieser beiden Flächen gleichmässig aufgebaut derart, dass ihre Rauhtiefe einen Wert zwischen 0, 5 und 50/1, vorzugsweise zwischen 1 und 3u. hat, und jede der beiden Kontaktflächen ist in so hohem Grade eben, dass die beiderseitigen Abweichungen der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene nicht grösser sind als die Rauhtiefe.
Eine solche Druckkontaktverbindung hat den Vorteil, dass die beiden Kontaktflächen in seitlichen, zum Stromfluss annähernd senkrechten Richtungen aufeinander gleiten können, so dass sich im Betrieb die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Trägerplatte und des Anschlusskörpers ausgleichen können, ohne mechanische Spannungen hervorzurufen. Versuche haben ergeben, dass auch bei häufigem Wechsel der elektrischen Beanspruchung zwischen Null und dem höchstzulässigen Stromwert die guten Übergangseigenschaften sowohl für den elektrischen Strom als auch für die Wärme bei der neuen Druckkontaktverbindung auf Dauer im wesentlichen unverändert erhalten bleiben.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert werden :
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Kontaktfläche und dient lediglich zur Veranschaulichung der Begriffe "Rauhtiefe" und "gemittelte Fläche". In den Fig. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der neuen Druckkontaktverbindung in ähnlicher Weise wie in Fig. l schematisch dargestellt. Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen Ausführungsbeispiele von Halbleiteranordnungen mit der neuen Druckkontaktverbindung.
In Fig. l bezeichnet K einen Teil eines Druckkontaktes mit einer gleichmässig aufgerauhten Kontaktfläche F in stark vergrössertem Massstab. Die senkrechten Abmessungen sind hier noch wesentlich stärker vergrössert als die waagrechten, damit die Rauhigkeit deutlich erkennbar ist. Das Mass b gibt die Rauhtiefe an. Es ist zwischen dem Grund einer Vertiefung und der am weitesten nach aussen ragenden Stelle eines benachbarten Vorsprunges eingezeichnet und soll den über die gesamte Kontaktfläche F gemittelten Wert dieser Masse bedeuten unter der Voraussetzung, dass die Werte der einzelnen Masse wegen der Gleichmässigkeit der Aufrauhung nicht wesentlich voneinander abweichen.
Aus der aufgerauhten Oberfläche F ist die durch eine gestrichelte Linie dargestellte gemittelte Fläche Fm in der Weise gebildet, dass das Gesamtvolumen aller Vertiefungen gegenüber der Fläche Fm gleich dem Gesamtvolumen aller über die Flä- che Fm hinausragenden Vorsprünge ist. Ferner ist durch die gemittelte Fläche Fm eine zur Zeichenebene senkrechte geometrische Ebene E, dargestellt durch eine strichpunktierte Linie, so hindurchgelegt, dass die beidseitigen grössten Abweichungen zwischen den beiden Flächen gleich gross sind. DiegrössteAbweichung der Fläche Fm von der Ebene E nach oben ist mit a. bezeichnet und liegt etwa in der Mitte der Kontaktfläche.
Die grössten Abweichungen der Fläche Fm von der Ebene E nach unten liegen am Rande und sind
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hin mit gleicher Krümmung verlängert ist wie in der anschliessenden, nicht wesentlich abgerundeten Ringzone. Die Schnittpunkte dieser Verlängerungen mit den seitlichen Begrenzungslinien des Kontaktes K bilden jeweils den einen Endpunkt des Masses a, dessen anderer Endpunkt durch die geometrische Ebene E ge-
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aus, dass die dargestellte Kontaktfläche F den Bedingungen der Erfindung nicht genügen würde.
Demgegenüber sind die Bedingungen der Erfindung bei dem Kontakt K erfüllt, von dem in Fig. 2 und 3 jeweils ein Teil in einem der Fig. l ähnlichen Massstabverhältnis und in gleicher Weise im Schnitt dargestellt ist ; denn hier ist die gemittelte Kontaktfläche praktisch eben. Eine derartige Flächengestalt kann durch das bekannte Läppverfahren hergestellt werden, indem dazu ein Schleifmittel von so feiner Körnung verwendet wird, dass die vorgeschriebene Rauhtiefe erreicht wird. Dabei kann als Läpphilfsmittel eine an sich für diesen Zweck gebräuchliche Ölsorte verwendet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Glycerin als Läpphilfsmittel erwiesen, weil dieses in einfacher Weise mit destilliertem Wasser abwaschbar ist.
Als Beispiel sei angenommen, dass der Kontaktteil K mit deroben erwähnten Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram identisch ist, auf deren anderer, der dargestellten Kontaktfläche gegenüberliegenden Flachseite der Halbleiterkörper z. B. durch ein an sich bekanntes Legierungsverfahren befestigt sein möge. Da weder Wolfram noch Molybdän mit Silber eine Legierung bilden, kann ohneweiters die freie Fläche der Trägerplatte selbst nach geeigneter Bearbeitung, wie vorher beispielsweise angegeben, als Kontaktfläche für die neue Druckkontaktverbindung verwendet werden, wenn die Kontakt-
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wie Gold oder Platin, verwendet werden. Es ist aber auch möglich, den Kontakt K mit einer Oberflächenschicht aus einem Edelmetall zu versehen und für den Gegenkontakt K bzw.
K3 oder wenigstens für eine Oberflächenschicht dieses Gegenkontaktes ein mit dem betreffenden Edelmetall nicht legieren- des Metall zu verwenden, beispielsweise Iridium, wenn aus Gold besteht bzw. Nickel, wenn K, aus Platin besteht. Bei einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausführungsform besteht der Kontakt Kl, wie schon erwähnt, aus Molybdän, während der KontaktK2 bzw. K3 wenigstens an seiner kontaktgeben-
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oder ähnlich eine Druckhöhe in der Nähe der unteren Bereichsgrenze genügen dürfte.
Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf die Verwendung von Silber als Edelmetall. Für andere Edelmetalle wie Gold und Platin können die beschriebenen Anordnungen auf Grund der bekannten Eigenschaften dieser Metalle sinngemäss abgewandelt werden. Dasselbe gilt auch für die im folgenden beschriebenen besonderen Bauformen.
Der Kühlkörper der Halbleiteranordnung gemäss Fig. 4 besteht aus einem massiven Kupferklotz 2 mit einem Vorsprung 2a, auf dem die Trägerplatte der Halbleiteranordnung befestigt ist. Ein ringförmiger Steg 3a dient zum Anbördeln eines Halteteils 17. Der hochgezogene Rand 3b des Kupferklotzes dient zum Anbördeln weiterer Gehäuseteile, wie unten angegeben. Das Herzstück der Anordnung bildet ein Aggregat (Sandwich), das beispielsweise aus der Trägerplatte 4, einer anlegierten Halbleiterscheibe 5 und einer darauf befindlichen Elektrode 6 bestehen und wie folgt hergestellt sein kann : Auf eine, Molybdänscheibe von etwa 22 mm Durchmesser wird eine Aluminiumscheibe von etwa 19 mm Durchmesser aufgelegt.
Auf diese Aluminiumscheibe wird ein einkristallines Plättchen aus pleitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine Goldfolie mit etwa 0, 50/0 Antimongehalt, die einen kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe aufweist. Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 8000 C unter Anwendung von Druck erhitzt. Diese Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist. Nach dem Erkalten werden die beiden Flachseiten des Aggregates mit einem Schleifmittel von passender Feinkörnigkeit plangeläppt und dann von den Läppmittelresten gereinigt.
Hierauf folgt eine Schlussätzung der freien Halbleiteroberfläche, an welcher der äussere Rand des p-n-Überganges auftaucht. Die Ätzung kann beispielsweise nach einem der früheren Vorschläge der österr. Patentschriften Nr. 199702 oder Nr. 218571 durchgeführt werden. Reste des Ätzmittels können mit destilliertem Wasser abgespült werden. Vorteilhaft schliesst sich ein Oxydationsprozess an, z. B. nach dem früheren Vorschlag der österr. Patentschrift Nr. 198799 oder durch eine Spülung mit einer etwa zehnfachen oder noch höheren Verdünnung des vorher benutzten chemischen Ätzmittels oder dadurch, dass das Aggregat einige Minuten lang einer mit Dampf von diesem Ätzmittel versetzten Atmosphäre ausgesetzt wird.
Nach Fig. 4 ruht die Trägerplatte 4 auf dem Vorsprung 12a des Kühlkörpers 2 mit einer dicken Silberschicht 7, beispielsweise einer Folie von 100 bis 20011 Stärke als Zwischenlage.
Die Silberfolie 7 kann auf beiden Seiten mit einem erhabenen Muster versehen sein, z. B. einem Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändelschrauben. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Silberfolie ausgeglüht und anschliessend geätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich ein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt.
Auf die Oberseite der Halbleiteranordnung, also die Elektrode 6, die aus einem Gold-SiliziumEutektikum besteht, ist ein stempelförmiger Teil aufgesetzt. Dieser stempelförmige Teil ist zweckmä- ssig ebenfalls vor dem - Zusammenbau aus einzelnen Teilen zusammengesetzt, nämlich aus einem Kupferbolzen 8, einer aus Kupfer bestehenden Kreisringscheibe 9 und einer Molybdänscheibe 10 : Diese Teile sind beispielsweise miteinander hart verlötet. Die Unterseite der Molybdänscheibe 10 ist vorteilhaft mit einer Silberauflage versehen, z. B. plattiert, und danach plangeläppt. Zwischen dieser Silberauflage und der goldhaltigen Elektrode 6 entsteht durch die Betriebswärme, welche an der Berührungsfläche eine teilweise, wechselseitige Eindiffusion von Silber- und Goldteilchen hervorruft. eine feste Verbindung.
Eine solche kann aucbschonbeiderHerstellung durch mässige Erwärmung der aufeinandergepressten Teile auf eine Temperatur von beispielsweise 200 bis 2500 C während weniger Stunden hervorgerufen werden.
Auf diesen stempelförmigcn Teil sind eine beispielsweise aus Stahl bestehende Ringscheibe 11, eine Glimmerscheibe 12, eine weitere Stahlscheibe 13 und drei Tellerfedern 14,15 und 16 aufgeschoben.
Zuletzt ist ein glockenförmiger Halteteil 17 über den Kupferbolzen 8 geschoben. Dieser hat unten einen Flansch, der mit Hilfe des Steges 3a angebördelt ist. Der obere Rand des Halteteiles 17 ist nach innen gezogen und bildet das Widerlager für die Tellerfedern.
Wie Fig. 4 zeigt, ergibt sich ein sehr gedrängter Aufbau, bei dem alle Teile in ihrer genauen Lage zueinander festgehalten werden und demzufolge weder durch mechanische Erschütterung noch durch Wärmebewegungen verschoben werden können. Eine wichtige Rolle übernimmt hiebei die Glimmerscheibe 12, welche sowohl zur elektrischen Isolierung des Halteteils 17 von der Oberseite der Halbleiteranordnung dient als auch zur Zentrierung des Bolzens 8. Zu diesem Zweck liegt der äussere Rand der Glimmerscheibe 12 an der zylindrischen Innenwand des Halteteiles 17, an, während ihr innerer Rand den Kupferbolzen 8 berührt.
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Schliesslich ist ein glockenförmiger Gehäuseteil, welcher aus den Einzelteilen 18,19, 20 und 21 besteht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An seinem unteren Ende ist der Teil 18 mit Hilfe des
Randes 3b angebördelt, während der Kupferbolzen 8 durch eine Anquetschung mit dem Teil 21 verbun- den wird. Der Teil 21 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, während die Teile 18 und 20 aus Stahl oder einer Fernicolegierung wie Kovar oder Vacon bestehen können. Die Teile 20 und 21 sind miteinan- der verlötet oder verschweisst. Der Teil 19, welcher zweckmässig aus Keramik besteht, dient zur Isolie- rung. Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teilen 18 und 20 zusammenstösst, metallisiert, so dass diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden können. Ein Kabel 22 ist in den Teil 21 von aussen eingeschoben und ebenfalls durch Anquetschung mit diesem verbunden.
Selbstverständlich kann das aus dem Halbleiterkörper mit einlegierten Elektroden und anlegierter
Trägerplatte bestehende Aggregat auch einen andern als den beschriebenen Aufbau aufweisen. Es kann sich also beispielsweise um einen Halbleiterkörper aus Germanium handeln, in den z. B. Elektroden aus
Indium bzw. Blei-Arsen einlegiert wurden. Die Trägerplatte kann beispielsweise aus gewissenhochlegier- ten Stahlsorten insbesondere mit Nickel- und Kobaltgeha1t bestehen, welche einen ähnlichen Ausdeh- nungskoeffizienten, wie beispielsweise Germanium oder Silizium, aufweisen. Der Halbleiterkörper kann auch aus Siliziumkarbid bestehen oder aus einer intermetallischen Verbindung von Elementen der Ill. und
V. oder der II. und VI. Gruppe des periodischen Systems.
Geeignete Elektrodenmetalle hiefür und pas- sende Metalle für Trägerplatten für die genannten Halbleitermaterialien sind an sich bekannt oder kön- nen nach bekannten Richtlinien ausgewählt werden.
Eine wichtige Eigenschaft der beschriebenen Anordnung ist darin zu sehen, dass das aus dem Halbleiterkörper mit einlegierten Elektroden und Träger- bzw. Anschlussplatten bestehende Aggregat auch gegebenenfalls umgekehrt wie in dem ausgeführten Beispiel in das Gehäuse eingebaut werden kann. Es können also auf diese Weise Halbleiterdioden unterschiedlicher Polarität mit vollkommen gleichem äusserem Aufbau, mit übereinstimmenden Charakteristiken und auch mit ähnlichem Innenaufbau hergestellt werden.
Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Fig. 5 teilweise dargestellt, die im übrigen nach Fig. 4 ergänzt werden kann. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 hat die oberhalb des Halbleiterkörpers angeordnete Molybdänscheibe 10a dieselbe Grösse wie die untere Molybdänscheibe 4. Die Verbindung zwischen dem stempelförmigen Anschlusskörper aus Kupfer, dessen beide Teile 8a und 9a hier von vornherein aus einem Stück bestehen können, ist als Druckkontaktverbindung in der gleichen Weise ausgebildet wie die untere Druckkontaktverbindung zwischen der Molybdänscheibe 4 und dem Sockel 2a des Kühlkörpers 2 und weist infolgedessen ebenso wie diese eine gewisse Gleitfähigkeit in seitlichen Richtungen auf.
Die Gleitfähigkeit kann durch Graphitpulver, das beim Zusammenbau jeweils zwischen die beiden Teile der Druckkontaktverbindung eingestreut werden kann, noch erhöht werden, ohne dass dadurch die guten Übergangseigenschaften für elektrischen Strom und Wärme beeinträchtigt werden. Da die Molybdänscheibe 10a infolge ihres grossen Durchmessers über die ringförmige freie Oberfläche des Halbleiterkörpers, an der der p-n-Übergang zutage tritt, hinwegreicht, ist es weiter vorteilhaft, dass dieser Oberflächenteil durch eine dünne Lackschicht, beispielsweise aus Siliconlack mit Alizarinzusatz, die auf das Halbleitermaterial nach der obenerwähnten Schlussätzung einschliesslich Spülung und Oxydation aufgetragen sein kann, geschützt ist.
Der freie Zwischenraum zwischen den beiden gleichgrossen Molybdänscheiben 4 und 10a kann vorteilhaft mit einer Giessharzfüllung 23 ausgefüllt sein, die man am Rande zweckmässig etwas überstehen lässt, wie in der Zeichnung dargestellt. Dadurch wird die Überschlagsfestigkeit der Halbleiteranordnung wesentlich erhöht.
Das von den Molybdänscheiben eingeschlossene Aggregat kann bei gleicher Anordnung aller übrigen Teile der Ventilzelle auch umgekehrt angeordnet sein derart, dass die Scheibe 4 oben und die Scheibe 10a unten ist und die Durchlassrichtung von oben nach unten geht.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich durchwegs auf Gleichrichter. Die Erfindung ist aber nicht auf solche beschränkt, sondern kann auch bei andern Halbleiterdioden mit und ohne p-n- Übergang angewendet werden, ferner bei Halbleitertrioden, wie Transistoren, Vierschichtenanordnungen (p-n-p-n) mit Stromtorcharakter, Photoelementen und Phototransistoren sowie bei Vielfachanordnungen, bei denen mehrere derartige Dioden oder/und Trioden in einem einzigen Halbleiterkörper vereinigt sind.