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In ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiteranordnung
Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die einen einkristallinen, plattenförmigen
Halbleiterkörper besitzen, der mit einer Trägerplatte grossflächig verbunden ist, die aus einem Material besteht, das eine gute elektrische Wärmeleitfähigkeit besitzt und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht. Bei Verwendung von Germanium oder Silicium kann dies z. B. Molybdän oder Wolfram sein.
Bei der Verbindung dieser Trägerplatte mit einem Körper, der zur Kühlung der Anordnung während des Betriebes dient, beispielsweise einem Kupferklotz mit Kühlfahnen, einem Kühlwasserkreislauf od. dgl. treten Schwierigkeiten auf. Die Trägerplatte muss mit dem Kühlkörper ebenfalls relativ grossflächig ver- bunden sein, damit ein guter Wärmeübergang und ein geringer elektrischer Widerstand der Übergangsstel- le gewährleistet ist. Bei Verwendung von Weichlot (Zinnlot, Bleilot) kann es vorkommen, dass bei höhe- ren Belastungen und entsprechend starker Wärmeentwicklung die Schmelztemperatur des Lotes zumindest örtlich überschritten wird und damit ein Ablöten auftritt.
Bei Verwendung von Hartlot (Silberlot u. dgl.) kann die erforderliche Löttemperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des vorher fest mit der Trägerplatte verbundenen Halbleiterelementes, z. B. eines Transistors, Gleichrichters oder Photoelemen- tes, führen. Die Anwendung von Druck, Lötmitteln und andern Hilfsmitteln ist hiebei ebenfalls nur in be- schränktem Masse zulässig, da Störungen durch mechanische Spannungen, Verunreinigungen usw. auftre- ten können.
Weiter ist noch ein Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als elektrische Zuleitung dienenden Plättchen aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, in einem
Gehäuse, das aus einer Grundplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem glockenförmigen Ab- schlussteil besteht, bekanntgeworden, bei dem das mit dem Halbleiterelement verbundene Plättchen min- destens teilweise in einer Ausnehmung der wesentlich dickeren Grundplatte eingeführt und durch plastische
Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand mit der Grundplatte fest verbunden wird und anschliessend der glockenförmige Gehäuseteil mit der Grundplatte durch eine weitere plastische Verfor- mung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand verbunden wird. (S. deutsche Auslegeschrift Nr.
1098103.)
Bei diesem bekannten Verfahren besteht das als elektrische Zuleitung dienende Plättchen aus Silber mit einem Goldüberzug. Die Grundplatte besteht z. B. aus Weichkupfer, welches leicht verformbar und gut wärmeleitfähig ist.
Dieses bekannte Verfahren ist bei Verwendung von Trägerplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffi- zienten, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht, nicht anwendbar. Bei einer
Wärmewechselbeanspruchung, wie sie im Betrieb der Halbleiteranordnungen auftritt, würde nämlich die
Verbindung zwischen der Grundplatte und der Trägerplatte gestört bzw. zerstört werden.
Weiter ist nocht eine Halbleiteranordnung bekanntgeworden, bei der eine kleineHalbleiterscheibe mit Hilfe eines federnden Bleches, das einen Vorsprung. aufweist, an einem weiteren Metallteil unter Druck anliegt.
Ferner ist der Vorschlag gemacht worden, eine Halbleiteranordnung so aufzubauen, dass zwischen einer mit dem Halbleiterkörper verbundenen Trägerplatte und einem Anschlusskörper eine Druckkontaktverbindung besteht, wobei die einander zugekehrten Oberflächenteile der Trägerplatte und des Anschluss- körpers geläppt sind.
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Die Erfindung betrifft eine in ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiter anordnung mit einem plattenför- migen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem grossflächig verbundenen Trägerplatte aus einem Metall, dessen Wärmedehnungskoeffizient nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht, insbesondere aus Molybdän-sowie einem zur Abführung und bzw. oder der Verteilung der im Betrieb entstehenden Wärme dienenden, mit der Trägerplatte oder dem Halbleiter- körper in einer Druckkontaktverbindung stehenden Körper (Kühlkörper).
Sie ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Halbleiterkörper mit einlegierten Elektroden und anlegierter Träger- platte bestehende Aggregat zwischen dem Kühlkörper und einem zweiten metallenen Körper mit einem Flächendruck zwischen 100 und 500 kg/cm durch Federdruck gehalten wird, und dass der Kühlkörperund der zweite metallene Körper als Stromzuführung bzw. -abführung ausgebildet sind.
Es entfallen also nach der Herstellung des aus dem Halbleiterkörper mit einlegierten Elektroden und anlegierter Trägerplatte bestehenden Aggregates sämtliche Löt- und Schweissvorgänge bei der Herstel- lung der in ein Gehäuse eingeschlossenen Halbleiterdiode.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, aus dem weitere Einzel- heiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen. In Fig. 1 sind Teile einer derartigen Anordnung vor der
Montage dargestellt, in Fig. 2 nach dem Zusammenbau..
Der Kühlkörper der Halbleiteranordnung gemäss Fig. 2 besteht aus einem massiven Kupferklotz 2 mit einem Vorsprung 2a, auf dem die Trägerplatte der Halbleiteranordnung befestigt wird. Ein ringförmiger
Steg 3a dient zum Anbördeln eines Halteteiles. Der hochgezogene Rand 3b des Kupferklotzes dient zum
Anbördeln der weiteren Gehäuseteile. Das aus. der Trägerplatte und der eigentlichen Halbleiteranordnung bestehende Aggregat wird vor dem Zusammenbau in einem einzigen Legierungsvorgang hergestellt. Es kann beispielsweise aus der Trägerplatte 4, einer anlegierten Halbleiterscheibe 5 und einer darauf befind- lichen Elektrode 6 bestehen und wie folgt hergestellt sein.
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 Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine Goldfolie mit etwa 0, S% Antimongehalt, die einen kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliciumscheibe aufweist. Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 8000C unter Anwendung von Druck erhitzt. Diese Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Das Ergebnis ist das aus der Trägerplatte 4 und dem mit ihr durch eine Aluminiumlegierung verbundenen Halbleiterscheibchen 5 sowie der einlegierten Elektrode 6 bestehende Aggregat.
Danach kann das so hergestellte Aggregat in an sich bekannter Weise geätzt werden. Hiebei wird insbesondere der Teil der Halbleiteroberfläche geätzt, an dem ein pn-Übergang zutage tritt. Anschliessend wird die Halbleiteroberfläche vorteilhaft mit einem Oxydbelag versehen, z. B. durch anodische Behandlung od. dgl.
Anschliessend wird die Trägerplatte 4 auf den Vorsprung des Kühlkörpers aufgelegt. Es ist zweckmässig, eine dicke Silberschicht, beispielsweise eine Folie von 100 bis 200}. Stärke zwischen dem Vorsprung 2a des, Kupferklotzes und der Trägerplatte 4 einzulegen. Bei einer Stärke der Silberschicht von mehr als 50}. l wird ein Durchdringen des Kupfers durch diese Silberschicht infolge der im Betrieb entstehenden Wärme sicher verhindert.
Wie sich bei durchgeführten Versuchen zeigte, ist es nicht notwendig, diese Silberschicht 7 auf dem Kupferklotz durch Lötung od. dgl. zu befestigen, sondern es genügt, wenn sie lediglich zwischen den Vorsprung des Kühlkörpers und der Trägerplatte 4 eingelegt wird. Der Stromübergang und der Wärmeübergang werden durch diese. Silberschicht nur in so geringem Masse behindert, dass diese Behinderung vernachlässigbar ist.
Die Silberschicht 7 kann beispielsweise aus einer Silberfolie bestehen, welche auf beiden Seiten mit einem erhabenen Muster versehen ist, z. B. einem Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändelschrauben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Silberfolie ausgeglüht und anschliessend geätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich ein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt. Vorteilhaft werden die Oberseite des Vorsprunges 2a sowie die Unterseite der Molybdänscheibe 4 plangeläppt, wodurch ein guter Wärme- und Stromübergang zwischen diesen Teilen und der Silberfolie gewährleistet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Silberschicht 7 in der Form eines Netzes aus feinen Silberdrähten auszuführen, beispielsweise aus Silberdraht mit 0, 05 - 0, 3 mm Drahtstärke.
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bestehende Scheibe vom gleichen Durchmesser auflegen. Die Silberfolie kann ähnlich wie in dem aus- geführten Beispiel nach Fig. 2 aufgebaut sein.
Die Molybdänscheibe von etwa 1 bis 2 mm Dicke ist zweck- mässigerweise auf beiden Seiten plangeläppt. Auch die auf der der Trägerplatte abgewendeten Flachseite des Halbleiterkörpers befindliche Elektrode, die in dem ausgeführten Beispiel im wesentlichen aus einem
Gold-Silizium-Eutektikum besteht, wird zweckmässigerweise auf der Oberseite plangeläppt und anschlie- ssend mit dieser geläppten Seite auf die Molybdänscheibe aufgelegt.
Im allgemeinen erhebt sich dieses Eutektikum bzw. eine in anderer Weise hergestellte einlegierte
Elektrode so weit über das angrenzende Halbleitermaterial, dass eine Berührung dieses Halbleitermaterials mit der gegenüberliegenden Molybdänscheibe sicher verhindert wird. Hinzu kommt, dass in den meisten
Fällen dieses Halbleitermaterials noch zusätzlich durch Ätzungen abgetragen und damit weiter von der
Ebene der geläppten Oberseite der einlegierten Elektrode entfernt wird. Ein Durchschlagen der geringen
Luftschicht zwischen diesem Halbleitermaterial und der gegenüberliegenden Molybdänscheibe kann weiter dadurch verhindert werden, dass auf das Halbleitermaterial ein Lack, beispielsweise ein Siliconlack mit einem Alizarinzusatz aufgetragen wird.
Auch die Trägerplatte des Aggregates, welche in diesem Fall dem weiteren Metallkörper, nämlich dem stempelförmigenMetallteil, zugewendet ist, wird zweckmässigerweise geläppt, hierauf eine Silber- folie gelegt und auf diese Silberfolie der weitere Metallteil aufgesetzt, welcher in diesem Fall lediglich aus Kupfer bestehen kann.
Da eine Berührung der Molybdänplatte mit dem Halteteil verhindert werden muss, welcher alle Teile mit dem geforderten Flächendruck zusammenpresst, hat diese Trägerplatte zweckmässigerweise einen etwas geringeren Durchmesser als die auf den Vorsprung des Kühlkörpers aufgelegte Molybdänscheibe.
Durch einen aussen um die Trägerplatte herumgelegten Ring aus einem Isolierstoff, z. B. aus Glimmer, welcher sich nach dem Zusammenbau zwischen dem Halteteil und der Trägerplatte befindet, kann die notwendige Zentrierung des Aggregates bewirkt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. In ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiteranordnung mit einem plattenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem grossflächig verbundenen Trägerplatte aus einem Metall, dessen Wärmedehnungskoeffizient nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht, insbesondere aus Molybdän sowie einem zur Abführung und bzw.
oder der Verteilung der im Betrieb entstehenden Wärme dienenden, mit der Trägerplatte oder dem Halbleiterkörper in einer Druckkontaktverbindung stehenden Körper (Kühlkörper), dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Halbleiterkörper mit einlegierten Elektroden und anlegierter Trägerplatte bestehende Aggregat zwischen dem Kühlkörper und einem zweiten metallenen Körper mit einem Flächendruck zwischen 100 und 500 kg/cm2 durch Federdruck gehalten wird, und dass der Kühlkörper und der zweite metallene Körper als Stromzuführung bzw. -abführung ausgebildet sind.