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In ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiterdiode mit einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper
Das Stammpatent betrifft eine in ein Gehäuse eingeschlossene Halbleiterdiode mit einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem grossflächig verbundenen metallenen Trägerplatte, 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 Verbindung stehenden Körper (Kühlkörper), bei der das aus dem Halbleiterkörper mit ein- legierten Elektroden und anlegierter Trägerplatte bestehende Aggregat zwischen dem Kühlkörper und einem zweiten metallenen Körper mit einem Flächendruck zwischen 100 und 500 kg/cm durch Feder- druck gehalten wird und lediglich der Kühlkörper und der metallene Körper als Stromzuführung bzw.
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Die vorliegende Erfindung sucht eine derartige Halbleiteranordnung weiter zu verbessern. Die Halbleiterdiode ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper beidseitig mit je einer metallenen Trägerplatte grossflächig verbunden ist, und dass beide Trägerplatten zumindest nahezu die gleiche Flächengrösse aufweisen.
Die erfindungsgemässe Anordnung weist insbesondere den Vorteil auf, dass Halbleiterdioden in der Zelle wahlweise mit Durchlassrichtung von dem Kühlkörper bzw. zu dem Kühlkörper eingebaut werden können, ohne dass irgendwelche Änderungen an dem Gehäuse oder dem aus dem Halbleiterkörper mit beidseitig aufgebrachten Trägerplatten bestehenden Aggregat vorgenommen zu werden brauchen. Der einzige Unterschied während des Zusammenbaus besteht darin, dass einmal ein derartiges Aggregat mit der einen Flachseite und das andere Mal mit der andern Flachseite auf den Kühlkörper aufgelegt wird.
An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. In Fig. l ist eine derartige Halbleiterdiode mit beidseitig aufgebrachten Trägerplatten dargestellt, Fig. 2. zeigt eine vollständige gekapselte Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung.
Das aus Halbleiterkörper und auf beide Seiten aufgebrachten Trägerplatten bestehende Aggregat kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass die Trägerplatten mit dem Halbleiterkörper durch Legierung verbunden sind. Ein Herstellungsverfahren für eine derartige Halbleiteranordnung ist unter anderem in der deutschen Auslegeschrift 1018 557 beschrieben. Gemäss diesem Verfahren werden auf die beiden Flachseiten eines scheibenförmigen Halbleiterkörpers Legierungselektroden, z. B. aus Gold bzw. Aluminium aufgebracht, wobei ein Kompensator an die Legierungselektrode angeschmolzen wird, welcher wenigstens ebenso gross ist wie die Legierungsfläche mit dem Halbleiter und höchstens den doppelten Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiter aufweist. Als derartige Kompensatoren bzw.
Trägerplatten sind in Verbindung mit halbleitendenKörpern aus Germanium und Silizium insbesondere Platten aus Chrom, Molybdän und Wolfram geeignet. Die nach dem bekannten Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung ist elektrisch unsymmetrisch und mechanisch weitgehend symmetrisch.
Eine derartige mechanisch symmetrische und elektrisch unsymmetrische Halbleiteranordnung kann auch nach einem früheren Vorschlag in anderer Weise hergestellt werden (siehe z. B. Patentschrift Nr. 229424).
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In Fig. 1 ist eine so hergestellte Halbleiteranordnung dargestellt. Auf eine Molybdänscheibe 2 von etwa 22 mm Durchmesser wird eine Aluminiumscheibe 3 von etwa 19 mm Durchmesser aufgelegt. Auf diese Aluminiumscheibe wird ein Plättchen 4 aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine Gold-AntimonFolie, 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.
Das Ergebnis ist das aus der Trägerplatte 2 und em mit ihr durch eine Aluminiumlegierung verbundenen Halbleiterscheibchen 4 sowie der einlegierten Elektrode 5 bestehende Aggregat.
Eine Silberfolie 7 vonbeispielsweise 0, 1 mm Dicke kann auf die Flachseite einer Trägerplatte 6, welche dem Gold-Halbleiter-Eutektikum 5 zugewendet ist, aufgebracht, z. B. aufgewalzt oder aufgelötet, werden. Die Trägerplatte 6 besitzt die gleiche Flächengrösse und zweckmässigerweise auch die gleiche Dicke wie die Trägerplatte 2, und besteht beispielsweise ebenfalls aus Molybdän.
Anschliessend wird die Trägerplatte 6 mit der Silberschicht 7 auf das Gold-Halbleiter-Eutektikum 5 aufgepresst, z. B. mit einem Druck von 300 kg/cm2 und das Ganze mehrere Stunden lang, z. B. 5 h, auf einer Temperatur gehalten, welche unterhalb der Schmelztemperatur des Gold-Halbleiter-Eutektikums liegt, beispielsweise 2500 C. Zweckmässigerweise werden vorher die einander berührenden Flächen der Silberschicht und des Eutektikum plangeläppt, damit sie einander grossflächig berühren. Nach der Beendigung dieses Erwärmungsvorgangs sind die Silberschicht und das Eutektikum fest miteinander verbunden, was auf Diffusions- bzw. Sintervorgänge zurückzuführen ist. Druck, Temperatur und Zeitdauer des Erwärmungsvorganges können in verhältnismässig weiten Grenzen verändert werden.
Dies liegt in der Natur der Sache, da eine Diffusion von Silber in das Gold-Halbleiter-Eutektikum bzw. von Gold in das Silber bei höheren Temperaturen in geringerer Zeit und umgekehrt bei niedrigeren Temperaturen in einem längeren Zeitraum auch noch in ausreichendem Masse erfolgt. Als technisch brauchbare Grenzen haben sich 200-300 C erwiesen. Bei niedrigen Temperaturen dauert die Erwärmungsbehandlung zu lange oder zeigt ungenügende Ergebnisse, bei höheren Temperaturen tritt gegebenenfalls durch Schmelzpunkterniedrigung infolge des angewendeten Drucks zunächst an wenigen Stellen einSchmelzen des Gold-Halbleiter-Eutektikums auf (Schmelzpunkt des Gold-Silizium-Eutektikums = etwa 3700 C, des Gold-Germanium-Eutek- tikums = etwa 3600 C).
Das aus den Teilen 2 - 5 bestehende Aggregat kann vor dem Aufbringen der Teile 6 und 7 zweckmässig behandelt werden, beispielsweise auf der Oberfläche des freiliegenden Halbleitermaterials geätzt und mit einer isolierenden Lackschicht versehen werden.
Der Kühlkörper der Halbleiteranordnung gemäss Fig. 2 besteht aus einem massiven Kupferklotz 9 mit einem Vorsprung 9a, auf dem die Trägerplatte 2 der Halbleiteranordnung befestigt wird. Ein ringförmiger Steg l0a dient zum Anbördeln eines Halteteils ; der hochgezogene Rand lOb des Kupferklotzes dient zum Anbördeln weiterer Gehäuseteile. Das aus der Halbleiterdiode mit beidseitig aufgebrachten Trägerplatten bestehende Aggregat wird auf den Vorsprung 9a des Kühlkörpers aufgelegt. Es ist zweckmässig, eine dicke Silberschicht, beispielsweise eine Folie von 100-200 Stärke, zwischen den Vorsprung 9a des Kupferklotzes und der Trägerplatte 2 einzulegen. Bei einer Stärke der Silberschicht von mehr als 50 li wird ein Hindurchdringen des Kupfers durch diese Silberschicht sicher verhindert.
Wie sich bei durchgeführten Versuchen zeigte, ist es nicht notwendig, diese Silberschicht auf dem Kupferklotz durch Lötung od. dgl. zu befestigen, sondern es genügt, wenn sie lediglich zwischen den Vorsprung des Kühlkörpers und der Trägerplatte 2, z. B. in Form einer Folie, eingelegt wird. Der Stromübergang und der Wärmeübergang werden erfahrungsgemäss durch diese Silberfolie praktisch nicht behindert.
Vorteilhaft wird die Verbindung zwischen dem Kupferklotz und der Trägerplatte 2 gemäss Patentschrift Nr. 231567 ausgeführt. Danach werden die aufeinander ruhenden Oberflächen vor dem Zusammenbau geläppt, wobei der Läppvorgang so zu führen ist, dass die Oberflächen eine Rauhtiefe zwischen 0,5 und 50 j. t, vorzugsweise zwischen 1 und 3 bt aufweisen. Nach dem Läppen ist jede der beiden Kontaktflächen in so hohem Grade eben, dass die beidseitigen Abweichungen der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene nicht grösser sind als die Rauhtiefe.
Man kann auch eine der beiden Oberflächen polieren, wobei aber darauf zu achten ist, dass die für gewöhnlich beim Polieren entstehende Wölbung der Oberfläche nicht zu einer zu grossen Abweichung der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene führt. Mindestens eine der beiden Oberflächen muss jedoch die beschriebene Rauhigkeit aufweisen.
Nach einer bevorzugtenAusführungsform wird die zwischen Kupferldotz und Trägerplatte einzulegende Silberfolie vorher ausgeglüht und anschliessend geätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich
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ein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt.
Auf die Oberseite des aus Halbleiterkörper und aufgebrachten Trägerplatten bestehenden Aggregats, d. h. also, auf die Trägerplatte 6, wird ein stempeiförmiger Teil aufgesetzt, der aus einem Zylinderteil 11 sowie einem ringförmigen Teil 12 zusammengesetzt ist, die beide miteinander, beispielsweise durch Anquetschung, Hartlötung od. dgl., verbunden sein können. Beide Teile, d. h. also der gesamte stempelförmige Teil, können aus Kupfer bestehen. Zwischen dem stempelförmigen Teil und der Trägerplatte 6 wird ebenfalls eine Silberfolie aufgebracht. Aufbau und Verfahrensschritte entsprechen vollständig der
Verbindung zwischen Kupferklotz 9 und Trägerplatte 2.
Auf diesen stempelförmigen Teil werden nun in folgender Reihenfolge eine beispielsweise aus Stahl bestehende Ringscheibe 13, eine Glimmerscheibe 14, eine weitere Stahlscheibe 15 und drei Tellerfe- dern 16,17 und 18 aufgeschoben. Anschliessend wird ein Halteteil 19, welcher glockenförmig ist, über den stempeiförmigen Teil geschoben, die Tellerfedern zusammengedrückt und der Halteteil 19 mit seinem Rand mit Hilfe des Steges 10a angebördelt.
Wie Fig. 2 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 14, welche sowohl zur elektrischen Isolierung des Halteteils 19 von der Oberseite der Halbleiteranordnung dient als auch zur Zentrierung des Bolzens 11. Zu diesem Zweck liegt der äussere Rand der Glimmerscheibe 14 an der Innenwand des Halteteils 19 an, während ihr innerer Rand den Kupferbolzen 11 berührt. Der glockenförmige Halteteil 19 weist eine Hinterdrehung auf, in welcher der obere Teil des aus Halbleiterkörper und aufgebrachten Trägerplatte'n bestehenden Aggregats mit Abstand untergebracht ist.
Die untere Trägerplatte 2 liegt an dem Halteteil 19 fest an und zentriert damit dieses Aggregat in der Mitte des Gehäuses.
Zum Schluss wird ein glockenförmiger Gehäuseteil, welcher aus den Einzelteilen 20,21, 22 und 23 besteht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An seinem unteren Ende wird der Teil 20 mit Hilfe des Randes 10b angebördelt, während der Kupferbolzen 11 durch eine Anquetschung mit dem Teil 23 verbunden wird. Der Teil 23 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, während die Teile 20 und 22 aus Stahl oder einer Fernicolegierung wie Kovar oder Vacon bestehen können. Der Teil 21, welcher zweckmässigerweise aus Keramik besteht, dient zur Isolierung. Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teilen 20 und 22 zusammenstösst, metallisiert, so dass diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden können. Ein Kabel 24 ist in den Teil 23 von aussen eingeschoben und ebenfalls. durch Anquetschung mit diesem verbunden.
Die gesamte Anordnung weist einen sehr robusten, gedrängten und auch hohen Wechselbeanspruchungen gewachsenen Aufbau auf. Eine Änderung der Durchlassrichtung der gesamten Anordnung kann dadurch erzielt werden, dass das aus Halbleiterkörper 4 und den Trägerplatten 2 und 6 bestehende Aggregat lediglich umgekehrt, d. h., mit der Trägerplatte 6 dem Kupferklotz 9 zugewendet, in das Gehäuse eingelegt wird. Dies kann beispielsweise in Gleichrichterbrückenschaltungen dazu ausgenutzt werden, dass alle Gleichrichterdioden der gleichen Wechselstromphase jeweils auf derselben Kühlanordnung befestigt werden können, beispielsweise auf einer gemeinsamen Kupferschiene mit Kühlkreislauf.
Vorteilhaft wird der Rand der Trägerplatten über den Rand des scheibenförmigen Halbleiterkörpers hinausgezogen und der hiedurch gebildete Ringspalt zwischen den Trägerplatten mit einem Isolierstoff 8 so ausgefüllt, dass der Isolierstoff über den äusseren Rand der Trägerplatten hinausragt, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass der Kriechweg zwischen den beiden Trägerplatten verlängert wird, welche gegeneinander entsprechend dem Potentialunterschied isoliert werden müssen, der zwischen ihnen im Spitzenwert der Sperrspannungen auftritt, z. B. entsprechend 1000 V.
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