DE102005062444B4 - Halbleitervorrichtungen und Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtungen und Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung (100) mit:einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat (1) mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist,einer Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einer Kathoden-Pfosten-Elektrode (6), zwischen die das Halbleitersubstrat (1) sandwichartig gefügt ist zur entsprechenden elektrischen Verbindung mit jeder der Anoden- und Kathodenelektroden der Halbleiterelemente,einer ringförmigen Gate-Ringplatte (11), die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist,einem im Wesentlichen zylindrischen Isolationsgefäß (13,14), in das die Gate-Ringplatte (11) sandwichartig eingefügt ist,einem Anoden- und einem Kathodenflansch (8, 9), deren jeweiliges eines Ende entsprechend mit einem peripheren Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist und deren jeweiliges anderes Ende an dem Isolationsgefäß (13, 14) befestigt ist,einem ringförmigen Kathodenanschluss (30), der elektrisch mit dem Kathodenflansch (9) verbunden ist,wobei die Gate-Ringplatte (11) und der Kathodenanschluss (30) beide ringförmig und plattenartig ausgestaltet sind und beide im Bereich ihres jeweiligen, in radialer Richtung nach außen gesehenen, umlaufenden Endabschnitts derartig eben vorgesehen und derartig in geeigneter Weise mit Durchgangslöchern (18, 31) zu ihrer Befestigung mittels Schrauben ausgestaltet sind, dass zwischen diesen ihren Endabschnitten ein Substrat einer Gate-Ansteuereinheit eingefügt, an ihnen befestigt und mit ihnen verbunden sein kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen und ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung und insbesondere auf Gate-Kommutier-Abschalt (englisch abgekürzt: GCT)-Thyristoren mit verbesserter Wärmeabstrahleffizienz und ein Herstellungsverfahren für einen Gate-Kommutier-Abschalt (GCT)-Thyristor.
  • US 6 441 407 B1 beschreibt einen Gate-angesteuerten Thyristor, der mit niedriger Induktivität angesteuert wird. Insbesondere weist eine Halbleiterkomponente ein Gehäuse für ein Halbleitersubstrat, eine Anode, eine Kathode, einen ringförmigen Gate-Elektrodenflansch, welcher lateral von dem Gehäuse hervorragt und das Gehäuse konzentrisch umgibt, sowie einen ringförmigen Hilfskathodenflansch auf, welcher von dem Gehäuse hervorragt und den Kontakt mit der Kathode herstellt.
  • US 5 777 351 A offenbart ein druckkontaktiertes Halbleiterelement. Das Halbleiterelement weist insbesondere einen ringförmigen Gateanschluss auf, welcher die Gestalt einer ringförmigen Metallscheibe hat, die durch die Seite eines isolierenden Zylinders ragt. Der ringförmige Gateanschluss beinhaltet einen inneren ebenen Umfangsabschnitt, welcher so angeordnet ist, dass er auf einer ringförmigen Ring-Gate-Elektrode gleiten kann. Die ringförmige Ring-Gate-Elektrode steht in Kontakt mit einer Gate-Elektrode, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei die Ring-Gate-Elektrode mittels des ringförmigen Gateanschlusses über ein elastisches Teil gegen die Gate-Elektrode gedrückt wird.
  • DE 102 54 617 A1 beschreibt ein Halbleiterelement, dass in einem Keramikzylinder untergebracht ist. In dem Keramikzylinder sind mehrere Durchgangsöffnungen ausgebildet, durch welche sich mit den Gateanschlüssen verbundene Leitungen erstrecken.
  • US 6 445 013 B1 beschreibt eine Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung. Ein erster Kathodenflansch ist mit astartigen Vorsprüngen versehen, die sich im wesentlichen zu der äußeren Peripherie hin erstrecken. Astartige Vorsprünge eines Gateflansches erstrecken sich ebenfalls zu seinem äußeren Umfang hin, wobei der erste Kathodenflansch und der Gateflansch mit einer Kathodenelektrode und einer Gate-Elektrode verbunden sind, die auf einer Oberfläche eines Substrates einer Gateansteuerung ausgebildet sind. Durch diese Anordnung wird die Notwendigkeit eines Gate-Abstandshalters und eines Kathoden-Abstandshalters beseitigt.
  • Die GCT-Thyristor-Vorrichtung (einfach als „GCT-Halbleitervorrichtung“ bezeichnet) hat den Vorteil gegenüber einer bekannten Gate-Abschalt-Thyristor-Vorrichtung (einfach als eine „GTO-Thyristor“-Vorrichtung bezeichnet), dass keine Beschaltung erforderlich ist, was Verluste des Beschaltungsnetzwerks beseitigt.
  • 17 und 18 sind eine Querschnittsansicht bzw. eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung mit einem bekannten Aufbau, die durch das Bezugszeichen 1000 bezeichnet ist.
  • Die GCT-Halbleitervorrichtung 1000 beinhaltet im Allgemeinen ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 1, in dem eine Mehrzahl von GCT-Thyristor-Elementen (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Jedes der GCT-Thyristor-Elemente beinhaltet eine Anodenelektrode auf der Deckfläche des Halbleitersubstrats 1 und eine Kathoden- und eine Gate-Elektrode auf der Unterseite desselben.
  • Auf der Deckfläche (Anodenseite) der Halbleitervorrichtung 1 ist eine Wärmepufferplatte 2 vorgesehen, auf der eine Anoden-Pfosten-Elektrode 3 angeordnet ist. Weiterhin ist auf der Anoden-Pfosten-Elektrode 3 eine Anoden-Flossen-(oder Stapel)-Elektrode 4 angeordnet.
  • Ebenso ist auf der unteren Oberfläche (Kathodenseite) der Halbleitervorrichtung 1 eine andere Wärmepufferplatte 5 vorgesehen, auf der eine Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 angeordnet ist. Weiterhin ist über der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 eine Kathoden-Flossen-(oder Stapel-)Elektrode 7 angeordnet. Zusätzlich beinhaltet die bekannte GCT-Halbleitervorrichtung 1000 eine Kathodendeckelplatte 20, die sandwichartig zwischen die Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 und die Kathoden-Stapel-Elektrode 7 eingefügt ist.
  • Die Gate-Elektroden der GCT-Thyristor-Elemente sind an einem peripheren Ende auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 angeordnet. Ein Ring-Gateanschluss 10 auf einer Gate-Ringplatte 11 kontaktiert jede der Gate-Elektroden der GCT-Thyristor-Elemente. Weiterhin ist benachbart zu dem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 eine Mehrzahl von Plattenfedern 12 vorgesehen zum Beaufschlagen des Ring-Gateanschlusses 10 und der Gate-Ringplatte 11 mit einer Vorspannung gegenüber den Gate-Elektroden der GCT-Thyristor-Elemente.
  • Auf den oberen und unteren Oberflächen der Gate-Ringplatte 11 sind obere und untere Keramikzylinder 13 bzw. 14 angebracht. Ein Anodenflansch 8 ist mit einem auf einem peripheren gestuften Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode 3 befestigten Ende vorgesehen. Ein oberer Flansch 16 ist ebenfalls mit einem an der Oberseite des oberen Keramikzylinders 14 befestigten Ende vorgesehen. Der Anodenflansch 8 und der obere Flansch 16 sind an ihren anderen Enden miteinander verbunden. Auf ähnliche Weise ist ein Kathodenflansch 9 mit einem auf einem peripheren gestuften Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 befestigten Ende vorgesehen. Ein unterer Flansch 15 ist ebenfalls mit einem Ende an dem Boden des unteren Keramikzylinders 13 befestigt vorgesehen. Weiterhin sind der Kathodenflansch 9 und der untere Flansch 15 an ihren anderen Enden miteinander verbunden.
  • Zwischen der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 (und der Wärmepufferplatte 5) und dem Ring-Gateanschluss 10 (und der Gate-Ringplatte 11) ist ein Isolationsteil angeordnet zum Verhindern eines Kurzschlusses zwischen ihnen. Ein Passivierungsteil 17 aus Gummi ist an dem Umfang des Halbleitersubstrates 1 vorgesehen.
  • Die Gate-Ringplatte 11 und die Kathodendeckelplatte 20 erstrecken sich in einer radialen Richtung nach außen und sind mit einem Substrat einer Gate-Ansteuereinheit (englisch abgekürzt: GDU) (nicht gezeigt) verbunden, welches zwischen die Gate-Ringplatte 11 und die Kathodendeckelplatte 20 eingefügt ist und mittels Schrauben und Gewindelöchern, die in jeder dieser Komponenten ausgebildet sind, befestigt ist.
  • Die so aufgebaute GCT-Halbleitervorrichtung 1000 wird vervollständigt, indem zwischen der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 eine Zusammenpresskraft aufrechterhalten wird zum Halten einer jeden dieser Komponenten.
  • Im Vergleich zu der GTO-Thyristor-Vorrichtung kann bei der GCT-Halbleitervorrichtung 1000 der induktive Widerstand der Gate-Verdrahtung auf 1/100 jenes der bekannten GTO-Thyristor-Vorrichtung verringert werden und die Anstiegsrate (diCQ/dt) des Gate-Sperrstroms kann wesentlich erhöht werden, so dass das Meiste des Hauptstroms sofort die Gateschaltung durchfließen kann oder zu ihr zurückgeholt werden kann. Deshalb kann ein lokaler Schaden an dem Halbleitersubstrat vermieden werden und ein größerer Betrag des gesteuerten Stroms kann erzielt werden und ein schnelleres Schalten kann erzielt werden (siehe die japanische Patentanmeldung JP 2001- 217 265 A oder die parallele US 6 339 231 B1 ).
  • Da gemäß der bekannten GCT-Halbleitervorrichtung die Kathodendeckelplatte 20 sandwichartig zwischen die Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 und die Kathoden-Stapel-Elektrode 7 gefügt ist, wird jedoch die von der Halbleitervorrichtung 1 erzeugte Wärme durch den Grenzflächenabschnitt zwischen der Kathodendeckelplatte 20 und der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 (und/oder der Kathoden-Stapel-Elektrode 7) ausgesandt, was einen hohen thermischen Widerstand an dem Grenzflächenabschnitt verursacht. Dies verhindert, dass die Wärme auf effiziente Weise durch den Grenzflächenabschnitt ausgesandt werden kann.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine GCT-Halbleitervorrichtung bereitzustellen, bei der der Wärmewiderstand verringert ist, wodurch die Abstrahleffizienz verbessert wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 8.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung, die ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat beinhaltet, das eine Mehrzahl von Halbleiterelementen beinhaltet, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist. Die Halbleitervorrichtung beinhaltet ebenfalls Anoden- und Kathoden-Pfosten-Elektroden, zwischen die sandwichartig das Halbleitersubstrat eingefügt ist zum elektrischen Anschluss jeder der Anoden- bzw. Kathodenelektroden der Halbleiterelemente. Sie beinhaltet eine ringförmige Gate-Ringplatte, die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist, und ein im Wesentlichen zylindrisches Isoliergefäß bzw. Isoliergehäuse, in das sandwichartig die Gate-Ringplatte eingefügt ist. Sie beinhaltet weiterhin einen Anoden- und einen Kathodenflansch, dessen eines Ende mit einem peripheren Abschnitt der Anoden- bzw. Kathoden-Pfosten-Elektrode verbunden ist und dessen anderes Ende an dem Isoliergefäß befestigt ist. Ein ringförmiger Kathodenanschluss ist elektrisch mit dem Kathodenflansch verbunden, wobei die Gate-Ringplatte und der Kathodenanschluss beide ringförmig und plattenartig ausgestaltet sind und beide im Bereich ihres jeweiligen, in radialer Richtung nach außen gesehenen, umlaufenden Endabschnitts derartig eben vorgesehen und derartig in geeigneter Weise mit Durchgangslöchern (18, 31) zu ihrer Befestigung mittels Schrauben ausgestaltet sind, dass zwischen diesen ihren Endabschnitten ein Substrat einer Gate-Ansteuereinheit eingefügt, an ihnen befestigt und mit ihnen verbunden sein kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispeilen sowie anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
    • 1 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 3 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, die einen Herstellungsvorgang der GCT-Halbleitervorrichtung von 1 veranschaulicht,
    • 4 eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 5 eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 5,
    • 7 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 7,
    • 9 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 10 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 9,
    • 11 eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 9,
    • 12 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 13 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 12,
    • 14 eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 15 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 14,
    • 16 eine vergrößerte Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 17 eine Querschnittsansicht einer bekannten GCT-Halbleitervorrichtung und
    • 18 eine Unteransicht der bekannten GCT-Halbleitervorrichtung.
  • Bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen werden Details der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Folgenden beschrieben. Obwohl in dieser Beschreibung die Terminologie, welche die Richtungen bezeichnet (beispielsweise „obere“, „untere“, „rechte“ und „linke“) in geeigneter Weise lediglich zum besseren Verständnis verwendet wird, sollte diese Terminologie nicht so interpretiert werden, dass sie das Ausmaß der vorliegenden Erfindung begrenzt.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, bezeichnet durch das Bezugszeichen 100, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 1 gezeigten Komponenten, die ähnlich zu jenen in 17 sind, haben die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen. Es sollte beachtet werden, dass die Darstellungen der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 in 1 weggelassen sind.
  • Die GCT-Halbleitervorrichtung 100 beinhaltet im Allgemeinen ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 1, in dem eine Mehrzahl von GCT-Thyristor-Elementen (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Jedes der GCT-Thyristor-Elemente beinhaltet eine Anodenelektrode auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 und eine Kathoden- und eine Gate-Elektrode (nicht gezeigt) auf der unteren Oberfläche desselben.
  • Auf der oberen Oberfläche (Anodenseite) der Halbleitervorrichtung 1 ist eine Wärmepufferplatte 2 aus z. B. Molybdän vorgesehen, auf der eine Anoden-Pfosten-Elektrode 3 aus z. B. Kupfer angeordnet ist, so dass die Anodenelektroden der GCT-Thyristor-Elemente, die Wärmepufferplatte 2 und die Anoden-Pfosten-Elektrode 3 elektrisch verbunden sind.
  • Auf der unteren Oberfläche (Kathodenseite) der Halbleitervorrichtung 1 ist weiterhin eine weitere Wärmepufferplatte 5 aus z. B. Molybdän vorgesehen, auf der eine Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 aus z. B. Kupfer angeordnet ist, so dass die Kathodenelektroden der GCT-Thyristor-Elemente, die Wärmepufferplatte 5 und die Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 elektrisch verbunden sind.
  • Die Gate-Elektroden (nicht gezeigt) der GCT-Thyristor-Elemente sind an einem peripheren Ende auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 angeordnet und ein Ring-Gateanschluss 10 aus z. B. Molybdän auf einer Gate-Ringplatte 11 ist in elektrischem Kontakt zu jeder der Gate-Elektroden der GCT-Thyristor-Elemente. Benachbart zu der Außenfläche der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 ist ebenfalls eine Mehrzahl von Plattenfedern 12 vorgesehen zum Vorspannen des Ring-Gateanschlusses 10 und der Gate-Ringplatte 11 gegenüber den Gate-Elektroden der GCT-Thyristor-Elemente.
  • Auf der oberen und der unteren Oberfläche der Gate-Ringplatte 11 sind mittels Silberlot obere und untere Keramikzylinder (zylindrische isolierende Gehäuse bzw. Gefäße) 13 bzw. 14 angebracht. Ein Anodenflansch 8 ist vorgesehen, dessen eines Ende an einem peripheren gestuften Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode 3 befestigt ist. Ein oberer Flansch 16 ist ebenfalls vorgesehen, dessen eines Ende an der Oberseite des oberen Keramikzylinders 14 mittels Silberlot befestigt ist. Der Anodenflansch 8 und der obere Flansch 16 sind an ihren anderen Enden miteinander verbunden. Auf ähnliche Weise ist ein Kathodenflansch 9 vorgesehen, dessen eines Ende an einem peripheren gestuften Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 befestigt ist. Ein unterer Flansch 15 ist ebenfalls vorgesehen, dessen eines Ende an dem Boden des unteren Keramikzylinder 13 mittels Silberlot befestigt ist. Weiterhin sind der Kathodenflansch 9 und der untere Flansch 15 an ihren anderen Enden miteinander verbunden.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die GCT-Halbleitervorrichtung 100 einen ringförmigen (kranzförmigen) Kathodenanschluss 30 aus z. B. Kupfer, der mit dem Kathodenflansch 9 mittels Lot verbunden ist. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Verbindungsabschnitts des Kathodenflansches 9 und des Kathodenanschlusses 30 mittels Lot 32 aus z.B. Pb-Sn.
  • Bei dem Herstellungsvorgang der GCT-Halbleitervorrichtung 100 wird eine Montagegestell-Anordnung 150, wie in 3 veranschaulicht, zum Verbinden des Kathodenflansches 9 mit dem Kathodenanschluss 30 verwendet. Die Montagegestell-Anordnung 150 beinhaltet eine Grundplatte 151 und eine Mehrzahl von Stiften 152. Bevor die Verbindung zwischen dem Kathodenflansch 9 und dem Kathodenanschluss 30 durchgeführt wird, wird die GCT-Halbleitervorrichtung 100 von 1 gedreht und auf die Grundplatte 151 gesetzt. Danach werden die Stifte 152 in eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 18 der Gate-Ringplatte 11 und eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 31 des Kathodenanschlusses 30 eingeführt zum Ausrichten des Kathodenanschlusses 30 mit der Gate-Ringplatte 11. Hiernach wird die Montagegestell-Anordnung 150 in einer Heizvorrichtung, wie z. B. einem Heizgefäß (Bad) angeordnet zum Schmelzen des Klebematerials zur Verbindung des Kathodenflansches 9 mit dem Kathodenanschluss 30.
  • Die Gate-Ringplatte 11 und der Kathodenanschluss 30 erstrekken sich zu einem Substrat einer Gate-Ansteuereinheit (GDU) (nicht gezeigt), welches zwischen die Gate-Ringplatte 11 und den Kathodenanschluss 30 geschoben/ eingefügt ist und mittels Schrauben und darin ausgebildeten Durchgangslöchern 18, 31 befestigt ist, und sind mit diesem verbunden.
  • Schließlich wird die so aufgebaute GCT-Halbleitervorrichtung 100 vervollständigt, indem eine Zusammendrückkraft zwischen der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 beibehalten wird zum Halten jeder dieser Komponenten.
  • Da, wie oben beschrieben, gemäß der GCT-Halbleitervorrichtung 100 der ersten Ausführungsform der Kathodenanschluss 30 über den Kathodenflansch 9 mit der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 verbunden ist und die Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 direkt die Kathoden-Stapel-Elektrode 7 kontaktiert, kann der Wärmewiderstand zwischen der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 wesentlich verringert werden. Somit verbessert dies die Wärmeabstrahleffizienz der GCT-Halbleitervorrichtung 100.
  • Ausführungsform 2
  • 4 ist eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung mit einem anderen Kathodenanschluss, bezeichnet durch das Bezugszeichen 40, gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Der Kathodenanschluss 40 beinhaltet eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 41 in einer mittels Lot mit dem Kathodenflansch 9 zu verbindenden inneren Region.
  • Das Vorsehen solcher Durchgangslöcher 41 gestattet eine visuelle Inspektion zur Bestimmung, ob die Lötbedingung (beispielsweise Menge und Benetzbarkeit des Lots) passend ist, während der Kathodenanschluss 40 mit dem Kathodenflansch 9 mittels Lot verbunden wird. Wenn die Menge an Lot unzureichend ist, kann über die Durchgangslöcher 41 Lot ergänzend zugeführt werden zum Sicherstellen der Verbindung zwischen dem Kathodenanschluss 40 und dem Kathodenflansch 9.
  • Ausführungsform 3
  • 5 ist eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung mit einem anderen Kathodenanschluss, der durch das Bezugszeichen 50 bezeichnet ist, gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine vergrößerte Teil-Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 5.
  • Der Kathodenanschluss 50 beinhaltet ein ringförmiges Klauenteil 51 in einer inneren Region zur Verbindung mit dem Kathodenflansch 9 mittels Lot.
  • Wie in 6 veranschaulicht, weist das Klauenteil 51 in Bereichen in der Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 5 gebogene Abschnitte auf zum Unterstützen des Kathodenflansches 9 von seiner Unterseite her. Das Klauenteil 51 weist ebenfalls in Bereichen in der Querschnittsansicht (nicht gezeigt) entlang der Linie B-B nicht gebogene Abschnitte auf zum Stützen des unteren Flansches 15 von seiner Oberseite her. Somit beinhaltet das Klauenteil 51 gebogene Abschnitte (durch gestrichelte Linien bezeichnet) und nicht gebogene Abschnitte (durch durchgezogene Linien bezeichnet), die abwechselnd ausgebildet sind zum Einklemmen des Kathodenflansches 9 und des unteren Flansches 15 dazwischen.
  • Die Verbindung zwischen dem Klauenteil 51 und dem Kathodenflansch 9/unteren Flansch 15 wird mittels Lot durchgeführt.
  • Es sollte beachtet werden, dass der Kathodenanschluss 50 zwei diametral geteilte Hälften aufweist, die so zusammengebaut sind, dass die GCT-Halbleitervorrichtung von der Seite zwischen sie gefügt wird.
  • Deshalb stellt der Kathodenanschluss 50 mit dem Klauenteil 51 die Verbindung zwischen dem Kathodenflansch 9 und dem Kathodenanschluss 50 sicher. Dies verwirklicht eine zuverlässige GCT-Halbleitervorrichtung, die widerstandsfähig gegen eine thermische Belastung aufgrund von Hitzeschocks ist.
  • Ausführungsform 4
  • 7 ist eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, bezeichnet durch das Bezugszeichen 200, gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 7 gezeigten Komponenten, die ähnlich zu jenen in 17 sind, haben die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen. Es sollte beachtet werden, dass die Darstellung der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 in 7 weggelassen ist.
  • Wie in einer vergrößerten Teil-Querschnittsansicht in 8 veranschaulicht ist, hat die GCT-Halbleitervorrichtung 200 der vierten Ausführungsform einen ähnlichen Aufbau zu jener der oben beschriebenen GCT-Halbleitervorrichtung 100 mit der Ausnahme, dass sie einen Kathodenanschluss 55 beinhaltet mit einem Verbindungsende 56, das mit der Seitenwand (Umfangsabschnitt) der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 mittels Lot 57 verbunden ist.
  • Die so aufgebaute GCT-Halbleitervorrichtung 200 erleichtert die Verbindung des Kathodenanschlusses 55 mit der Kathoden-Pfosten-Elektrode 9. Dadurch kann die Verbindung des Kathodenanschlusses 55 ohne Umdrehen der GCT-Halbleitervorrichtung, wie in 3 veranschaulicht, erreicht werden. Weiterhin verringert der direkte Anschluss des Kathodenanschlusses 55 den elektrischen Gesamtwiderstand des Strompfades durch die Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 und den Kathodenanschluss 55.
  • Ausführungsform 5
  • 9 ist eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, bezeichnet durch das Bezugszeichen 300, gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 11 ist eine Unteransicht der GCT-Halbleitervorrichtung von 9. Die in 9 gezeigten Komponenten, die ähnlich zu jenen in 17 sind, haben gleiche oder ähnliche Bezugszeichen. Es sollte beachtet werden, dass die Darstellung der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 in 9 weggelassen ist.
  • Wie in der vergrößerten Teil-Querschnittsansicht von 10 gezeigt, weist die GCT-Halbleitervorrichtung 300 der fünften Ausführungsform einen ringförmigen Ausnehmungsabschnitt bzw. Kanalabschnitt 61 auf der seitlichen oder vertikalen Oberfläche (peripherer Abschnitt) der zylindrischen Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 auf. In den ringförmigen Ausnehmungsabschnitt 61 ist ein Kathodenanschluss 60 eingeführt und mittels leitendem Klebstoff 62, beispielsweise Hartlot-Füllstoffmaterial, mit der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 elektrisch verbunden. Es sollte auch beachtet werden, dass der Kathodenanschluss 60 in zwei Hälften unterteilt ist, zum Erleichtern des Einsetzens des Kathodenanschlusses 60 in den Ausnehmungsabschnitt 61. Der übrige Aufbau der GCT-Halbleitervorrichtung 300 ist ähnlich zu jenem der oben beschriebenen Ausführungsformen.
  • Gemäß der so aufgebauten GCT-Halbleitervorrichtung 300 kann deshalb der Kathodenanschluss 60 auf einfache Weise montiert werden und insbesondere kann die Verbindungszuverlässigkeit verbessert werden durch Verbinden der Kathodenelektrode 60 mit der Kathoden-Pfosten-Elektrode 6 über einen leitenden Klebstoff 62.
  • Ausführungsform 6
  • 12 ist eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, bezeichnet durch das Bezugszeichen 400, gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 12 gezeigten Komponenten, die ähnlich zu jenen in 17 sind, haben die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen. Es sollte beachtet werden, dass die Darstellung der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 in 12 weggelassen ist.
  • Wie in der vergrößerten Teil-Querschnittsansicht von 13 veranschaulicht, weist die GCT-Halbleitervorrichtung 400 der sechsten Ausführungsform einen Kathodenanschluss 70 auf, der mit der oberen Oberfläche des unteren Flansches 15 (der Seite des Keramikzylinders 13) mittels eines leitenden Klebstoffs 71 verbunden ist. Der übrige Aufbau der GCT-Halbleitervorrichtung 400 ist ähnlich zu jenem der oben beschriebenen Ausführungsformen. Der Kathodenanschluss 70 kann mit dem unteren Flansch 15 in dem selben Schritt verbunden werden, in dem die Gate-Ringplatte 11 und der untere Flansch 15 an dem Keramikzylinder 13 befestigt werden. Diese Vormontage des Kathodenanschlusses 70 an dem unteren Flansch 15 vereinfacht den Zusammenbauschritt der GCT-Halbleitervorrichtung 400.
  • Ausführungsform 7
  • 14 ist eine Querschnittsansicht der GCT-Halbleitervorrichtung, durch das Bezugszeichen 500 bezeichnet, gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 14 gezeigten Komponenten, die ähnlich zu jenen in 17 sind, haben gleiche oder ähnliche Bezugszeichen. Es sollte beachtet werden, dass die Darstellung der Anoden-Stapel-Elektrode 4 und der Kathoden-Stapel-Elektrode 7 in 14 weggelassen ist.
  • Wie in 14 veranschaulicht, ist ein Kathodenanschluss 65 elektrisch mit Umfangsabschnitten der Kathoden-Pfosten-Elektroden 6 verbunden und an dem unteren Keramikzylinder 13 befestigt und der Kathodenanschluss 65 erstreckt sich in einer radialen Richtung nach außen.
  • Bei dem Herstellungsverfahren der GCT-Halbleitervorrichtung 500 gemäß der siebten Ausführungsform ist eine erste Gate-Ringplatte 81 an dem oberen Keramikzylinder 14 vormontiert. Weiterhin ist eine zweite Gate-Ringplatte 82 an dem unteren Keramikzylinder 13 vormontiert und ein Gateflansch 90 wird im Vorhinein auf die untere Oberfläche der zweiten Gate-Ringplatte 82 gesetzt. Die obige Verbindung kann mittels beispielsweise leitendem Klebstoff bewerkstelligt werden.
  • Insbesondere wird nach dem Vorsehen des Federteils 12 innerhalb des Keramikzylinders 13 der obere Keramikzylinder 14 auf den unteren Keramikzylinder 13 angeordnet und danach werden die erste und die zweite Gate-Ringplatte 81, 82 verbunden zum Bilden einer Gate-Ringplatte 80. Da die Gate-Ringplatte 80 und der Anodenflansch (der Anodenflansch 8 und der obere Flansch 16) einen geringeren Außendurchmesser als der Kathodenanschluss 65 aufweisen, kann die GCT-Halbleitervorrichtung 500 zusammengebaut werden ohne umgedreht zu werden.
  • Ausführungsform 8
  • 16 ist eine Teil-Querschnittsansicht eines U-förmig gebogenen Abschnitts 95, der ein Teil des Kathodenanschlusses und/oder der Gate-Ringplatte der GCT-Halbleitervorrichtung sein kann. Beispielsweise kann der Gateflansch 90 von 15 teilweise als U-förmig gebogener Abschnitt konfiguriert sein, d. h. in einer ringförmigen Gestalt.
  • Wenn, wie in 16 gezeigt, der Kathodenanschluss und/oder je nach Ausführungsform die Gate-Ringplatte oder der Gateflansch den U-förmig gebogenen Abschnitt 95 beinhalten, welcher radial innerhalb der Position angeordnet ist, an der das Substrat der Gate-Ansteuereinheit eingefügt, befestigt und verbunden sein kann (vorgesehen ist), weisen der Kathodenanschluss und/oder je nach Ausführungsform die Gate-Ringplatte oder der Gateflansch Elastizität in der Horizontalrichtung auf. Diese Elastizität absorbiert eine mechanische Belastung aufgrund des Montagespielraums und eine thermische Belastung aufgrund eines Hitzeschocks zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Kathodenanschlusses und je nach Ausführungsform der Gate-Ringplatte oder des Gateflansches der GCT-Halbleitervorrichtung.

Claims (8)

  1. Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung (100) mit: einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat (1) mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist, einer Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einer Kathoden-Pfosten-Elektrode (6), zwischen die das Halbleitersubstrat (1) sandwichartig gefügt ist zur entsprechenden elektrischen Verbindung mit jeder der Anoden- und Kathodenelektroden der Halbleiterelemente, einer ringförmigen Gate-Ringplatte (11), die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist, einem im Wesentlichen zylindrischen Isolationsgefäß (13,14), in das die Gate-Ringplatte (11) sandwichartig eingefügt ist, einem Anoden- und einem Kathodenflansch (8, 9), deren jeweiliges eines Ende entsprechend mit einem peripheren Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist und deren jeweiliges anderes Ende an dem Isolationsgefäß (13, 14) befestigt ist, einem ringförmigen Kathodenanschluss (30), der elektrisch mit dem Kathodenflansch (9) verbunden ist, wobei die Gate-Ringplatte (11) und der Kathodenanschluss (30) beide ringförmig und plattenartig ausgestaltet sind und beide im Bereich ihres jeweiligen, in radialer Richtung nach außen gesehenen, umlaufenden Endabschnitts derartig eben vorgesehen und derartig in geeigneter Weise mit Durchgangslöchern (18, 31) zu ihrer Befestigung mittels Schrauben ausgestaltet sind, dass zwischen diesen ihren Endabschnitten ein Substrat einer Gate-Ansteuereinheit eingefügt, an ihnen befestigt und mit ihnen verbunden sein kann.
  2. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der der ringförmige Kathodenanschluss (30) mit dem Kathodenflansch (9) auf einer von dem Isoliergefäß (13, 14) abgewandten Seite des Kathodenflansches (9) verbunden ist.
  3. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kathodenanschluss (30) eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (41) in einer mit dem Kathodenflansch (9) zu verbindenden Region aufweist.
  4. Halbleitervorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kathodenanschluss (30) ein Klauenteil (51) in einer mit dem Kathodenflansch (9) zu verbindenden Region enthält zum Einklemmen des Kathodenflansches (9).
  5. Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung (200) mit: einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat (1) mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist, einer Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einer Kathoden-Pfosten-Elektrode (6), zwischen die das Halbleitersubstrat (1) sandwichartig gefügt ist zum entsprechenden elektrischen Verbinden mit jeder der Anoden- und Kathodenelektroden der Halbleiterelemente, einer ringförmigen Gate-Ringplatte (11), die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist, einem im Wesentlichen zylindrischen Isoliergefäß (13, 14), in das die Gate-Ringplatte (11) sandwichartig eingefügt ist, einem Anoden- und einem Kathodenflansch (8, 9), deren jeweiliges eines Ende entsprechend mit einem peripheren Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist, und deren jeweiliges anderes Ende an dem Isoliergefäß (13, 14) befestigt ist, einem ringförmigen Kathodenanschluss (55, 60), der mit der Seitenwand der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist oder in einen ringförmigen Ausnehmungsabschnitt (61), der in der vertikalen Oberfläche der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) ausgebildet ist, eingeführt ist, wobei die Gate-Ringplatte (11) und der Kathodenanschluss (55, 60) beide ringförmig und plattenartig ausgestaltet sind und beide im Bereich ihres jeweiligen, in radialer Richtung nach außen gesehenen, umlaufenden Endabschnitts derartig eben vorgesehen und derartig in geeigneter Weise mit Durchgangslöchern (18, 31) zu ihrer Befestigung mittels Schrauben ausgestaltet sind, dass zwischen diesen ihren Endabschnitten ein Substrat einer Gate-Ansteuereinheit eingefügt, an ihnen befestigt und mit ihnen verbunden sein kann.
  6. Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung (500) mit: einem scheibenförmigen Halbleitersubstrat (1) mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist, einer Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einer Kathoden-Pfosten-Elektrode (6), zwischen die das Halbleitersubstrat (1) sandwichartig gefügt ist zum entsprechenden elektrischen Verbinden mit jeder der Anoden- und Kathodenelektroden der Halbleiterelemente, einer ersten ringförmigen Gate-Ringplatte (81), die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist, einer zweiten ringförmigen Gate-Ringplatte (82), die mit der ersten ringförmigen Gate-Ringplatte (81) verbunden ist, einem im Wesentlichen zylindrischen Isoliergefäß (13, 14), in das die erste und die zweite Gate-Ringplatte (81, 82) sandwichartig eingefügt sind, einem Anodenflansch (8), dessen eines Ende elektrisch mit einem peripheren Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode (3) verbunden ist und dessen anderes Ende an dem Isoliergefäß (14) befestigt ist, einem Kathodenanschluss (65), der elektrisch mit einem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist und der an dem Isoliergefäß (13, 14) befestigt ist, wobei sich der Kathodenanschluss (65) in einer radialen Richtung nach außen erstreckt, einem ringförmigen Gateflansch (90), der mit der zweiten ringförmigen Gate-Ringplatte (82) verbunden ist, wobei die Außendurchmesser der ersten und zweiten ringförmigen Gate-Ringplatte (81, 82) und des Anodenflansches (8) kleiner sind als der Außendurchmesser des Kathodenanschlusses (65), und wobei der Gateflansch (90) und der Kathodenanschluss (65) beide ringförmig und plattenartig ausgestaltet sind und beide im Bereich ihres jeweiligen, in radialer Richtung nach außen gesehenen, umlaufenden Endabschnitts derartig eben vorgesehen und derartig in geeigneter Weise mit Durchgangslöchern (18, 31) zu ihrer Befestigung mittels Schrauben ausgestaltet sind, dass zwischen diesen ihren Endabschnitten ein Substrat einer Gate-Ansteuereinheit eingefügt, an ihnen befestigt und mit ihnen verbunden sein kann.
  7. Halbleitervorrichtung (500) nach Anspruch 6, bei der der Kathodenanschluss (65) und/oder der Gateflansch (90) einen U-förmig gebogenen Abschnitt (95) aufweisen, der radial innerhalb der Position angeordnet ist, an der das Substrat der Gate-Ansteuereinheit eingefügt, befestigt und verbunden sein kann.
  8. Herstellungsverfahren für eine Gate-Kommutier-Abschalt-Halbleitervorrichtung mit den Schritten: a) Montieren eines Zwischenproduktes der Halbleitervorrichtung, wobei das Zwischenprodukt beinhaltet: ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat (1) mit einer Mehrzahl von Halbleiterelementen, wobei jedes der Halbleiterelemente eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode aufweist, eine Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und eine Kathoden-Pfosten-Elektrode (6), zwischen die das Halbleitersubstrat (1) sandwichartig gefügt ist zum entsprechenden elektrischen Verbinden mit jeder der Anoden- und Kathodenelektroden der Halbleiterelemente, einer ringförmigen Gate-Ringplatte (11), die elektrisch mit jeder der Gate-Elektroden der Halbleiterelemente verbunden ist, einem im Wesentlichen zylindrischen Isoliergefäß (13, 14), in das die Gate-Ringplatte (11) sandwichartig eingefügt ist und einem Anoden- und einem Kathodenflansch (8, 9), deren jeweiliges eines Ende entsprechend mit einem peripheren Abschnitt der Anoden-Pfosten-Elektrode (3) und einem peripheren Abschnitt der Kathoden-Pfosten-Elektrode (6) verbunden ist und deren jeweiliges anderes Ende an dem Isoliergefäß (13, 14) befestigt ist, wobei die Herstellung bewerkstelligt wird durch eine Montagegestell-Anordnung (150), welche eine Grundplatte (151) und eine Mehrzahl von Stiften (152) beinhaltet, wobei das Zwischenprodukt gedreht und auf die Grundplatte (151) gesetzt wird und die Stifte (152) in eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (18) der Gate-Ringplatte (11) und eine Mehrzahl von Durchgangslöchern (31) eines Kathodenanschlusses (30) eingeführt werden zum Ausrichten des Kathodenanschlusses mit der Gate-Ringplatte, b) Anordnen des Zwischenproduktes in einer Heizvorrichtung zum Schmelzen von Klebstoff (32) zwischen dem Kathodenanschluss (30) und dem Kathodenflansch (9) und c) Verbinden des Kathodenanschlusses (30) mit dem Kathodenflansch (9) durch Schmelzen von Klebstoff (32) zwischen dem Kathodenanschluss (30) und dem Kathodenflansch (9) und Kühlen des Klebstoffs (32).
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