Halbleiterbauelement Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter bauelement enthaltend mindestens eine Halbleiter- scheibe, die zwischen zwei metallischen Trägerplat ten angeordnet ist.
Bei der Gleichrichtung von Wechselströmen mit tels Halbleiterbauelementen wird in diesen zugleich eine unerwünschte, aber nicht vermeidbare Wärme er zeugt. Die Betriebstemperatur von Elementen, deren Grundmaterial Silicium ist, soll aber Werte von 130-200 C nicht übersteigen. So entsteht das Pro blem einer wirkungsvollen Ableitung der Verlust wärme aus .dem Halbleiter.
Damit die entstehende Verlustwärme und die abgeleitete Wärme im Gleichgewicht sind, werden solche Silicium-Gleichrichter mit höchstens 40 Amp pro em2 belastet, weshalb für grosse Ströme entweder mehrere Gleichrichter parallel geschaltet oder Gleich richter mit grossen Querschm tten hergestellt werden müssen.
Letzteres ist zwar die schaltungstechnisch zu bevorzugende Lösung, bringt .aber technologische Schwierigkeiten bei -der Herstellung und im Ge brauch, weil die Gleichrichterplatten sehr spröde und leicht zerbrechlich sind. Halbleiterbauelemente für grosse Ströme enthalten darum gewöhnlich eine dünne, grossflächige Halbleiterscheibe, die zwischen zwei ebenso grossflächigem. metallenen Trägerplatten gehaltert ist.
Diese Trägerplatten haben zwei Aufga ben, sie sollen die sehr zerbrechliche Halbleiter scheibe mechanisch verstärken, damit sie gefahrlos weiterverarbeitet werden kann und auch bei rauhen Betriebsbedingungen nicht bricht, und sie sollen eine wirksame Wärmeableitung von einer grossen Fläche des Halbleiters ermöglichen.
Bei den bisher bekannten Verfahren wird ,die Halbleiterscheibe immer -mit den beiden Trägerplat ten verlötet. Die Trägerplatten bestehen bevorzugt aus Molybdän, das einen ähnlichen thermischen Aus dehnungskoeffizienten wie Silicium besitzt.
Sowohl wegen der Kosten ,als auch wegen seiner ungenügenden elektrischen und Wärmeleitfähigkeit ist das Molybdän nur eine Zwischenlage, und die eigentlichen Kühl- und Anschlussflächen sind im allge meinen aus Kupfer, womit sich die Notwendigkeit einer weiteren Verbindung zwischen Molybdän und Kupfer ergibt.
Bei einem ersten Legierungsverfahren für die Herstellung von Halbleiterscheiben werden die Trä gerplatten in einem speziellen Arbeitsgang auf die le- igierten und auf ihren Oberflächen chemisch metalli sierten Siliciurnscheiben gelötet. Dazu ist :dann eine weitere Lötung zwischen den Molybdänscheiben und dem Kupfer der Kühlplatte notwendig. Ursprünglich wurde dafür ein Weichlot auf der Basis von Blei und Zinn verwendet.
Es hat sich aber gezeigt, dass dieses Lot ,die verschiedenen thermischen Ausdehnungen ,der Materialien nicht auszugleichen vermag, und schon nach etwa 1000maligem Einschalten des Gleichrich ters bilden sich Risse in der Weichlotschicht, die 'den elektrischen Kontakt verschlechtern und die Wärme ableitung praktisch unmöglich machen.
Der nächste Schritt bestand darin, das plastische Weichlot durch ein elastisches Hartlot auf der Basis von Silber und Zinn zu ersetzen. Solche Halbleiter sind noch heute handelsüblich.
Ein zweites Verfahren für,das Legieren von Halb leiterscheiben besteht darin, .zwischen die Silicium- ischeibe und die Molybdänscheiben je eine Folie aus Dotiermaterial, z. B. Aluminium, zu legen und dann Idas Ganze zu erwärmen.
Bei dieser Temperaturbe handlung wirkt das Aluminium gegenüber dem Sili cium als Dotiermaterial und gegenüber dem Molyb- dän als Lot, so dass das Dotieren und Löten in einem Arbeitsgang ausgeführt werden kann. Der Kontakt zwischen den Molybdänscheiben und dem Kupfer wird durch einfaches Anpressen ider (Kupferteile her gestellt.
Die beiden beschriebenen Verfahren beziehen sich ,auf legierte Halbleiter. Wegen der besseren Repro- duzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften und rationelleren Herstelhnethoden werden neuerdings Diffusionsverfahren für das Dotieren ider Halbleiter- scheiben bevorzugt. Dabei wird .die zu @dotieren(de Halbleiterscheibe in einen Gasstrom,
der das Dotier- material enthält, gebracht. Dieses Herstellverfahren erlaubt nicht im ,gleichen Arbeitsgang zu dotieren und zu löten, denn die Flächen der Halbleiterscheiben müssen während des Diffuslonsprozesses frei sein, ,damit der Gasstrom ungehindert an ihnen entlang- streichen kann.
Das gleiche Problem besteht bei der Herstellung von Halbleitern nach der Epitaxäaltech- nik, bei der :die Halbleiterscheibe zusammen mit den richtigen Mengen des Dotiermaterials aus einem strömenden Gas auf eine besondere Unterlage abge lagert wird.
Solche Halbleiterscheiben können dann wieder ähnlich dem ersten beschriebenen Verfahren zuerst chemisch metallisiert und anschliessend mit ,den Trä gerplatten verlötet werden.
Dieses Verfahren ist zeit raubend und hat Iden Nachteil, dass alle Halbleiter platten ohne Berücksichtigung ihrer Qualität gelötet werden müssen, weil es nicht möglich ist, die nicht verstärkten oder nicht gefassten Halbleiterscheiben elektrisch zu messen.
Es wurde nun gefunden, dass es im Gegensatz zu den bisher üblichen Verfahren überhaupt nicht not wendig ist, die Halbleiterscheibe mit den Trägerplat ten zu verlöten, sondern allein das Aufpreisen der Trägerplatten auf die Halbleiterscheibe einen guten elektrischen Kontakt und gute Wärmeableitung ge währleistet.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine ider belden Trägerplatten,durch me chanischen Druck an die Halbleiterscheibe gepresst ist.
Zu dem Vorteil dieser Methode gehört, dass es möglich ist, die Halbleiterscheiben ohne Lötverbin- dung mit der Trägerplatte in Korntakt zu bringen und einmal hergestellte Halbleiterbauelemente wieder lö sen zu können. Dadurch kann ider Zusammenbau von Halbleiterbauelementen wesentlich verbilligt und idie Qualitätsauswahl verbessert werden.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen in ein Gehäuse eingebauten Gleichrichter nach der Erfin dung.
Das Gehäuse besitzt einen Kupferboden 13 und einen oberen Verschlussring 10, die beide mit einem zylindrischen Mittelteil 12 aus elektrisch nicht leiten4 der Oxydkeramik verbunden sind. Das Gehäuse wird von dem Deckel 11, der mit dem Verschlussriing 10 verliessbar äst, verschlossen. Auf dem inneren Boden 13 des Gehäuses liegt eine dünne Silberplatte 21,
darauf eine Molybdänplatte 20 und auf dieser wieder eine Silberplatte 19 und idarauf die Halbleiterscheibe 18.
Oberhalb ider Halbleiterscheibe 18 sind in jder gleichen Reihenfolge eine Silberplatte 17, eine Molyb- dänplatte 16 und eine weitere Silberplatte 15 ange ordnet.
Auf der Silberplatte 15 ruht der Pressstempel 14, dessen kugelscheibenförmige Kalotte in die eben falls kugelscheibenförmige Ausdrehung des Deckels 11 passt. Durch Einschrauben des Deckels 11 in den Verschlussring 10 kann der Stapel der aufeinander ge legten Scheiben mit Drücken zusammengepresst wer den, deren obere Grenze durch die Zugfestigkeit der Keramik-Metallötung zwischen .dem Mittelteil und dem Verschlussring bzw. dem Boden gegeben ist.
Die Molybdänplatten 16 und 20 sind die mecha nischen Trägerplatten der Halbleiterscheibe. Die zwi schen diesen Platten und der Scheibe eingelegten Silberplatten 19 bzw. 17 dienen dazu, eventuelle Un- gleichmässigkeiten in den gegenüberliegenden Ober flächen der Molybdänplatten und Halbleiterscheiben auszugleichen, und gewährleisten einen guten Wärme kontakt auf der gesamten Fläche der Halbleiter scheibe.
Die Silberplatten 21 und 15 zwischen den Molybdänplatten und dem Boden bzw. Pressstempel bilden ebenfalls nur ein ,Polster zwischen den Molyb- .dänplatten und -dem Kupferteil.
Die Verwendung von Silber als Zwischenlage zwi schen den Molybdänplatten und der Halbleiterscheibe ist deshalb vorteilhaft, weil Silber auch bei erhöhter Betrizbstemperabur nicht mit dem Silicium der Halb leiterscheibe reagiert und dadurch deren Eigenschaf ten nicht beeinträchtigt. Das gleiche gilt auch für andere Edelmetalle und für Nickel.
Die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit zwi schen der Halbleiterscheibe und den angepressten Trägerplatten kann weiter verbessert werden, wenn die Oberfläche der Halbleiterscheibe chemisch me- tallisiert wind. Diese chemische Metallisäerung kann ausserdem noch mit einem gegenüber der Halbleiter- ,
scheibe neutralen Metall galvanisch verstärkt wer den.
Zum Gleichrichten höherer Spannungen .ist es möglich, mehrere Halbleiterscheiben mit entspre chend .gewählten, dazwischenliegenden Trägerplatten aufeinanderzustapeln und dann zusammenzupressen.