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Das Stammpatent betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse befindlichen scheibenförmigen, an jeder Flachseite mindestens eine Kontaktelektrode aufweisenden Halbleiterkörper, der zusammen mit zwei Folien aus duktilem Metall, von denen jede an einer Flachseite des Halbleiterkörpers anliegt, zwischen den Kontaktflächen zweier Anschlussteile angeordnet ist, die gegen die Flachseiten des Halbleiterkörpers unter Ausbildung gleitfähiger lotfreier Druckkontaktverbindungen mit den Kontaktelektroden gepresst sind.
Dem Stammpatent lag das Problem zugrunde, grossflächige Kontaktelektroden auf den Flachseiten des Halbleiterkörpers einwandfrei zu kontaktieren. Zur Verringerung des thermischen und elektrischen übergangswiderstandes wurde auf Trägerkörper mit einem dem Halbleiterkörper ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verzichtet. Diese Trägerkörper, die z. B. aus molybdän oder Wolfram bestehen, sind mechanisch sehr stabil und schützen den Halbleiterkörper vor der Einwirkung unzulässiger mechanischer Belastungen. Lässt man diese Trägerkörper weg, so besteht die Gefahr, dass insbesondere am Rand, bedingt durch den auf den Halbleiterkörper ausgeübten Druck, Risse auftreten.
Im Stammpatent wurde zur Lösung dieses Problems unter Schutz gestellt, einen ringförmigen Teil am Rand des Halbleiterkörpers frei von Verbiegungsstellen zu machen. Es wurde dort auch bereits als erfinderisch gekennzeichnet, darüberhinaus den Halbleiterkörper derart auszubilden, dass er beide Folien überragt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine vorteilhafte Ausführungsform des Halbleiterbauelementes gemäss dem Stammpatent anzugeben.
Das erfindungsgemässe Halbleiterbauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche des einen Anschlussteiles und/oder die Folie zwischen diesem Anschlussteil und dem Halbleiterkörper deckungsgleich mit der andern Kontaktfläche und/oder derjenigen Folie ist, die zwischen der andern Kontaktfläche und dem Halbleiterkörper liegt.
Hiedurch wird erzielt, dass nicht nur ein ringförmiger Teil am Rand des Halbleiterkörpers, sondern der gesamte Halbleiterkörper frei von Verbiegungsstellen ist, so dass sich nirgends im Halbleiterkörper Risse ausbilden, welche zu Störungen der Kennlinie des Halbleiterbauelementes führen würden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rand einer Folie an der dem Halbleiterkörper zugewandten Seite abgestuft.
Das Folienmaterial kann z. B. Silber oder Aluminium sein. Zum Ausgleich von auf den Kontaktflächen der
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vorzugsweise höchstens 26 kg/mm2, und sein Schmelzpunkt mindestens 135, vorzugsweise mindestens 2500C betragen. Derartiges Folienmetall schmilzt auch bei Stossbelastungen des Bauelementes nicht auf. Folienmaterial mit solchen Eigenschaften sind besonders reines Aluminium und weichgeglühtes Silber, Legierungen dieser Metalle, Cadmium, Indium, Blei oder Legierungen, die mindestens eines der Metalle Cadmium, Indium oder Blei enthalten.
Die Folien können auch aus einer Indium-Blei-Silber-Legierung mit einem Schmelzpunkt von 280 bis 285 C und einer Brinellhärte von etwa 9, 9 kg/mm2 bestehen. Besonders geeignet als Folienmaterial sind
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und 50 Gew.-% Blei oder aus 25 Gew.-% Indium und 75 Gew.-% Blei.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert : Fig. 1 zeigt eine Druckkontaktverbindung für einen scheibenförmigen Halbleiterkörper im Gehäuse eines Halbleiterbauelementes bisher üblicher Bauart, Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse eines Halbleiterbauelementes gemäss der Erfindung, Fig. 2a zeigt einen stark überhöhten Teil des Gehäuses nach Fig. 2, Fig. 3a und 3c zeigen vergrösserte Ansichten der Flachseiten des Halbleiterkörpers im Halbleiterbauelement nach Fig. 2, Fig. 3b zeigt einen Schnitt durch diesen Halbleiterkörper, Fig. 4 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Zunächst sei die Ausbildung der Risse an Hand der in Fig. 1 dargestellten Druckkontaktverbindung erläutert :
Einem scheibenförmigen Halbleiterkörper --113-- ohne besonderen, an einer Flachseite. befestigten Trägerkörper ist zwischen einem Stempel--116--und einem Sockel--111--des Bodens eines Gehäuses gelagert. Der Halbleiterkörper weist eine abgeschrägte Mantelfläche und einlegierte, grossflächige Kontaktelektroden--117 und 118--jeweils an einer Flachseite auf. Die Kontaktelektroden am Halbleiterkörper können auch aus einer z. B. aufgedampften Metallschicht, beispielsweise einer Nickelschicht,
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Stempel benachbarten Flachseite des Halbleiterkörpers -113-- ist eine Folie--115--aus duktilem Metall, z. B.
Silber, angeordnet. Anstatt der Folie--115--kann die Kontaktfläche des Stempels--116--auch einen Silberüberzug aufweisen. Zwischen der Kontaktelektrode--118--auf der andern Flachseite des Halbleiterkörpers --113-- und der Kontaktfläche des Sockels--111--ist eine weitere Folie --112-- aus duktilem Metall, z. B. Silber, angeordnet.
Während die Folie--115--und die Kontaktfläche des Stempels - eine kleinere Flächengrösse als die ihnen benachbarte Flachseite des Halbleiterkörpers--114-
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haben, haben die Folie --112-- sowie die Kontaktfläche des Sockels--111--eine grössere Flächengrösse und überragen demzufolge auch den ringförmigen Teil--114-am Rand des Halbleiterkörpers--113--.
Insbesondere der Halbleiterkörper --113-- und die Folien-112 und 115-- sind in Fig. 1 stark überhöht dargestellt.
Während des Betriebes wird das Metall der Folie --112-- wegen des durch den Stempel--116--und den Sockel--111--auf sie ausgeübten Druckes zum Teil seitlich nach aussen gedrückt. Die entstehende Verlustwärme begünstigt diesen Vorgang. Es wird angenommen, dass sich unterhalb eines ringförmigen Bereiches
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insbesondere dann Risse im Halbleiterkörper--114--, wenn die Kontaktelektroden--117 und 118-Legierungselektroden sind bzw. wenn mehrere grossflächige Kontaktelektroden auf einer Flachseite des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Besonders gefährdet in dieser Hinsicht sind ausserdem Halbleiterkörper, die auf einer Flachseite eine parallel zum Rand verlaufende, grabenartige Ausnehmung oder, entsprechend Fig. l, eine abgeschrägte Mantelfläche aufweisen.
Fig. 2 zeigt ein Halbleiterbauelement gemäss der Erfindung, in dem nicht nur der ringförmige Teil am Rand des scheibenförmigen Halbleiterkörpers, sondern der gesamte Halbleiterkörper frei von Verbiegungsstellen ist. Das Gehäuse dieses Halbleiterbauelementes besteht aus einem Bodenteil --211-- aus Kupfer, das mit einem Gewindezapfen--211a--versehen ist. Am Bodenteil--211--ist ein Eisenring--211b-hart angelötet, an dem ein Hohlzylinder--238--aus Keramik mittels eines Flansches--222--aus einer der Keramik bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten angepassten Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung (Vacon) befestigt ist.
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--223-- ebenfallsHalbleiterkörper --313-- des Halbleiterbauelementes.
Die Folie --212-- kann auch aus reinem Aluminium oder einer Legierung mit mindestens einem der Metalle Cadmium, Indium oder Blei bestehen. Bevorzugt besteht die Folie --212-- aus einer Indium-Blei-Silber-Legierung.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement um einen Bilateralthyristor (Triac), dessen Halbleiterkörper in den Fig. 3a bis 3c dargestellt ist. Fig. 3a zeigt die Ansicht der oberen Flachseite des Halbleiterkörpers --314--, Fig.3c die der unteren Flachseite. Fig. 3b zeigt einen Schnitt längs eines Durchmessers des Halbleiterkörpers.
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auf der oberen Flachseite, die Hauptkontaktelektrode-322-auf der unteren Flachseite sowie der Steuerelektrode--320--zugeordnet und dem andern die Hauptkontaktelektrode--317--auf der oberen Flachseite, die Hauptkontaktelektrode--321--auf der unteren Flachseite und der Steuerkontakte--319-auf der oberen Flachseite.
Die Steuerkontakte-319 und 320-sind in einer aus den Teilaussparungen - 317a und 318a--in den Hauptkontaktelektroden--317 und 318--gebildete Aussparungen im Zentrum zwischen den Hauptkontaktelektroden--317 und 318--auf der oberen Flachseite angeordnet. Auf der unteren Flachseite befindet sich ebenfalls in einer aus den Teilaussparungen--321a und 322a-- in den Hauptkontaktelektroden--321 und 322--bestehenden Aussparungen im Zentrum zwischen den Hauptkontaktelektroden--321 und 322-- eine weitere Kontaktelektrode--323--. Die Elektroden-317 bis 323-- sind Legierungselektroden.
Die Kontaktelektroden-321 und 322--auf der unteren Flachseite des Halbleiterkörpers--313-- reichen fast bis zu dessen Rand, während die Hauptkontaktelektroden--317 und 318--auf der oberen Flachseite kleiner sind. Zwischen den Hauptkontaktelektroden--317 und 318-- und dem Rand befindet sich auf der oberen Flachseite eine grabenförmige Ausnehmung--324--, die bis zu den Hauptkontaktelektroden - 321 und 322-- auf der unteren Flachseite reicht und zum Schutz der in ihr zutage tretenden pn-Übergänge mit einem isolierenden Siliconlack gefüllt ist.
Im Gehäuse nach Fig. 2 ist die Hauptkontaktelektrode-317-mit der Hauptkontaktelektrode - -318--, die Hauptkontaktelektrode--321--mit der Hauptkontaktelektrode --322-- und der Kontaktelektrode --323-- sowie der Steuerkontakt--319--mit dem Steuerkontakt --320-- elektrisch leitend verbunden.
Auf der oberen Flachseite des Halbleiterkörpers-313-ist eine ringscheibenförmige Folie-215aus duktilem Metall, z. B. weichgeglühtem Silber, angeordnet, die auf den dort befindlichen Hauptkontaktelektroden aufliegt und eine Dicke von 40 bis 60, vorzugsweise von 50 , hat. Auf der Folie - -215-- aus duktilem Metall liegt die ebene, einen kreisförmigen äusseren Umriss aufweisende Kontaktfläche eines Kupferstempels--216--auf, der innerhalb des Hohlzylinders--238--angeordnet ist und der eine
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Axialbohrung --216a-- und eine Radialbohrung-216b-aufweist.
Im vorliegenden Beispiel überragen die Hauptkontaktelektroden-317 und 318 bzw. 321 und 322-die Folien-215 bzw. 212--. Auch die Folie --215-- kann anstatt aus weichgeglühtem Silber aus den bereits angegebenen Metallen oder Legierungen bestehen, die für die Folie --212-- geeignet sind.
Die Folie --215-- hat die Form eines Ringes mit kreisförmigem äusseren Umriss, während die Folie --212-- eine Kreisscheibe ist, also auch einen kreisförmigen Umriss hat. Wie aus Fig. 2a hervorgeht, stimmt der Aussendurchmesser der Folie --215-- mit dem Durchmesser der Folie --212-- überein, d.h. die Umrisse beider Folien sind deckungsgleich. Ferner sind beide Folien-212 und 215--, wie die beiden gestrichelten Linien--240--andeuten, genau übereinander angeordnet, so dass sie sich überdecken.
Im dargestellten Fall werden die Folien-212 und 215-sowohl von den ebenen Kontaktflächen des Bodenteiles --211-- und
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mit denen in der Regel der Stempel--216--gegen den Bodenteil --211-- gepresst wird, verbiegungsfrei gelagert, so dass sich in ihm keine unerwünschten Risse ausbilden. Das gilt z. B. auch dann, wenn die Aussendurchmesser der Folien-212 und 215-mit dem Aussendurchmesser der Kontaktfläche des Kupferstempels--216-deckungsgleich sind, d. h. wenn ihre Aussendurchmesser mit dem Aussendurchmesser der kreisringscheibenförmigen Kontaktfläche des Stempels --216-- übereinstimmen, und wenn sich die äusseren Umrisse der Folien-212 und 215-- und der Kontaktfläche des Stempels --216-- überdekcen.
Der Kupferstempel --216-- dient zugleich als Stromzuführungsteil für die beiden Hauptkontaktelektroden auf der oberen Flachseite des Halbleiterkörpers. In der Axialbohrung --216a-- des Kupferstempels - 216-befindet sich ein vom Kupferstempel --216-- isolierter Stromzuführungsteil --228--, der die auf der oberen Flachseite des Halbleiterkörpers --313-- angeordneten Steuerkontakte kontaktiert. Dieser Stromzuführungsteil besteht aus einem kleinen Stempel-229--, der an der auf den Steuerkontakten
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Das Kupferrohr --224-- ist mit einem Isolierstoffmantel--235--versehen. Ferner ist am Kupferrohr - -224-- ein mit einer Anschlusslasche versehener Aussenleiter-219-durch eine Quetschung an der Stelle - -236-- befestigt.
Die Ausführungsformen der Erfindung nach den Fig. 4 bis 6 eignen sich besonders für Hochspannungsgleichrichter, da in diesen Ausführungsformen die Isolierstrecke zwischen den Rändern der beiden Folien verhältnismässig lang ist und dadurch überschläge vermieden werden. Die scheibenförmigen Halbleiterkörper --413, 513 und 613-enthalten einen zu den Flachseiten parallelen pn-übergang und weisen an jeder Flachseite eine einlegierte grossflächige Metallelektrode-414 und 415 bzw. 514 und 515 oder 614 und 615-auf. Die scheibenförmigen Halbleiterkörper sind zusammen mit zwei Folien-412 und 417 bzw.
512 und 517 oder 612 und 617-aus duktilem Metall, z. B. weichgeglühtem Silber, zwischen den
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Kontaktflächen eines Bodenteiles-411 bzw. 511 oder 611-und eines Kupferstempels-416 bzw. 516 oder 616-angeordnet, die einen kreisförmigen Umriss haben.
In der Anordnung nach Fig. 4 ist der Rand der auf dem Bodenteil --411-- aufliegenden Folie --412-an der dem Halbleiterkörper --413-- zugewandten Seite abgestuft. Eine derartige Abstufung erleichtert in manchen Fällen die Zentrierung der Folie --412-- auf dem Bodenteil-411--. Der Umriss der Kontaktfläche des Stempels --416-- ist deckungsgleich mit dem Umriss der an sie anliegenden Folie
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des Stempels --416-- und an der Kontaktfläche des Bodenteiles --411-- anliegt, deckungsgleich. Diese Umrisse überdecken sich auch. Daher ist der Halbleiterkörper --413-- frei von Risse hervorrufenden Verbindungsstellen.
Dies gilt auch, wie die gestrichelten Linien--540 und 640--andeuten, für die Anordnungen nach den Fig. 5 und 6.
In der Anordnung nach Fig. 5 überragt die Folie--517--die Kontaktfläche des Stempels--516--, an
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dieser Folie nicht an der Kontaktfläche des Bodenteiles--611--anliegt. Der Halbleiterkörper--613-- überragt die Folie-612--. Ferner überragt die Kontaktfläche des Stempels --616-- die Folie --617--, die an dieser Kontaktfläche anliegt. Der Durchmesser der Folie --617-- stimmt jedoch mit dem Innendurchmesser der kreisförmigen Abstufung in der Kontaktfläche des Bodenteiles --611-- überein, so dass auch hier der Halbleiterkörper--613--verbiegungsfrei gelagert ist.
Die Erfindung ist nicht nur auf Bilateralthyristoren oder Gleichrichter beschränkt, sondern sie kann unter Erzielung derselben Vorteile auch bei andern Bauelementen, z. B. Thyristoren, angewendet werden.