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.
Semiconductor component The present invention relates to a semiconductor component containing at least one semiconductor wafer, which is arranged between two metallic carrier plates.
When rectifying alternating currents with means of semiconductor components, an undesirable but unavoidable heat is generated in them at the same time. However, the operating temperature of elements whose basic material is silicon should not exceed values of 130-200 C. This creates the problem of an effective dissipation of the heat loss from the semiconductor.
So that the resulting heat loss and the dissipated heat are in equilibrium, such silicon rectifiers are loaded with a maximum of 40 amps per em2, which is why, for large currents, either several rectifiers must be connected in parallel or rectifiers with large cross-cuts must be produced.
Although the latter is the preferred solution in terms of circuitry, it brings about technological difficulties in production and use because the rectifier plates are very brittle and easily broken. Semiconductor components for large currents therefore usually contain a thin, large-area semiconductor wafer between two equally large-area. metal carrier plates is supported.
These carrier plates have two tasks, they are supposed to mechanically reinforce the very fragile semiconductor disk so that it can be safely processed and does not break even under harsh operating conditions, and they should allow effective heat dissipation from a large area of the semiconductor.
In the previously known method, the semiconductor wafer is always soldered to the two support plates. The carrier plates are preferably made of molybdenum, which has a thermal expansion coefficient similar to that of silicon.
Molybdenum is only an intermediate layer, both because of its cost and because of its insufficient electrical and thermal conductivity, and the actual cooling and connection surfaces are generally made of copper, which means that a further connection between molybdenum and copper is necessary.
In a first alloying process for the production of semiconductor wafers, the carrier plates are soldered in a special operation to the alloyed silicon wafers, which are chemically metallized on their surfaces. For this purpose: Then another soldering between the molybdenum disks and the copper of the cooling plate is necessary. Originally, a soft solder based on lead and tin was used for this.
It has been shown, however, that this solder is unable to compensate for the various thermal expansions of the materials, and after the rectifier has been switched on about 1000 times, cracks form in the soft solder layer, which worsen the electrical contact and make heat dissipation practically impossible .
The next step was to replace the plastic soft solder with an elastic hard solder based on silver and tin. Such semiconductors are still commercially available today.
A second method for alloying semiconductor wafers consists in placing a foil of doping material between the silicon wafers and the molybdenum wafers. B. aluminum, and then heat the whole thing.
During this temperature treatment, the aluminum acts as a doping material with respect to the silicon and as a solder with respect to the molybdenum, so that the doping and soldering can be carried out in one operation. The contact between the molybdenum disks and the copper is made by simply pressing the copper parts.
The two methods described relate to alloyed semiconductors. Because of the better reproducibility of the electrical properties and more efficient production methods, diffusion processes have recently been preferred for doping the semiconductor wafers. The semiconductor wafer to be @doped is then placed in a gas stream,
which contains the doping material, brought. This manufacturing process does not allow doping and soldering in the same operation, because the surfaces of the semiconductor wafers must be free during the diffusion process, so that the gas flow can sweep along them unhindered.
The same problem exists in the manufacture of semiconductors according to epitaxial technology, in which: the semiconductor wafer is deposited on a special base together with the correct amounts of doping material from a flowing gas.
Such semiconductor wafers can then again, similar to the first method described, first be chemically metallized and then soldered to the carrier plates.
This method is time-consuming and has the disadvantage that all semiconductor plates have to be soldered regardless of their quality, because it is not possible to electrically measure the semiconductor wafers that have not been reinforced or are not mounted.
It has now been found that, in contrast to the previously customary methods, it is not necessary at all to solder the semiconductor wafer to the carrier plates, but rather simply attaching the carrier plates to the semiconductor wafer ensures good electrical contact and good heat dissipation.
The invention is characterized in that at least one ider belden carrier plate is pressed against the semiconductor wafer by mechanical pressure.
One of the advantages of this method is that it is possible to bring the semiconductor wafers into grain contact with the carrier plate without a soldered connection and to be able to detach semiconductor components once they have been produced. As a result, the assembly of semiconductor components can be made significantly cheaper and the quality selection improved.
The invention will now be explained in more detail with the aid of the drawing using an exemplary embodiment. The figure shows a section through a built-in rectifier in a housing according to the invention.
The housing has a copper base 13 and an upper locking ring 10, both of which are connected to a cylindrical central part 12 made of electrically non-conductive4 oxide ceramic. The housing is closed by the cover 11, which can be opened with the closure ring 10. On the inner bottom 13 of the case there is a thin silver plate 21,
thereon a molybdenum plate 20 and on this again a silver plate 19 and on top of it the semiconductor wafer 18.
Above the semiconductor wafer 18, a silver plate 17, a molybdenum plate 16 and a further silver plate 15 are arranged in the same order.
The ram 14 rests on the silver plate 15, the spherical disk-shaped dome of which fits into the recess of the cover 11 in the form of a spherical disk. By screwing the cover 11 into the locking ring 10, the stack of discs placed on top of one another can be pressed together with pressures, the upper limit of which is given by the tensile strength of the ceramic-metal soldering between the middle part and the locking ring or the bottom.
The molybdenum plates 16 and 20 are the mechanical carrier plates of the semiconductor wafer. The silver plates 19 or 17 inserted between these plates and the disk serve to compensate for any irregularities in the opposing upper surfaces of the molybdenum plates and semiconductor wafers, and ensure good thermal contact over the entire surface of the semiconductor wafer.
The silver plates 21 and 15 between the molybdenum plates and the bottom or press ram also only form a cushion between the molybdenum plates and the copper part.
The use of silver as an intermediate layer between the molybdenum plates and the semiconductor wafer is advantageous because silver does not react with the silicon of the semiconductor wafer even at high operating temperatures and thus does not impair its properties. The same applies to other precious metals and to nickel.
The electrical and thermal conductivity between the semiconductor wafer and the pressed-on carrier plates can be further improved if the surface of the semiconductor wafer is chemically metallized. This chemical metallization can also be carried out with a
neutral metal washer galvanically reinforced.
To rectify higher voltages, it is possible to stack several semiconductor wafers with appropriately selected carrier plates between them and then to press them together.