DE1098103B

DE1098103B - Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes in ein Gehaeuse

Info

Publication number: DE1098103B
Application number: DEST14659A
Authority: DE
Inventors: Hans Wagner
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1959-01-14
Filing date: 1959-01-14
Publication date: 1961-01-26
Also published as: BE586536R; FR81208E; FR1299502A; GB942331A; GB934185A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als elektrische Zuleitung dienernden Plättchen aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, in ein Gehäuse, das aus einer Grundplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem glockenförmigen Abschlußteil besteht. Das Halbleiterelement kann z. B. eine gleichrichtende oder eine verstärkende Funktion haben.

Es ist bereits bekannt, elektrische Halbleiterelemente, insbesondere solche aus Germanium, Silizium oder intermetallischen Verbindungen, mit einer wärmeableitenden Grundplatte zu verbinden. Es muß dabei, insbesondere bei Halbleitervorrichtungen für höhere Leistungen, auf einen guten Wärmeübergang zwischen dem Halbleiterelement und der zur Kühlung bestimmten Grundplatte geachtet werden. In manchen Fällen dient die Grundplatte gleichzeitig als Elektrodenzuführung.

Bisher wurden die Halbleiterelemente entweder direkt auf der Grundplatte hergestellt, d. h. die Schichtenfolge der halbleitenden Teile auf der Grundplatte erzeugt, oder das Halbleiterelement wurde nachträglich mit der Grundplatte in Kontakt gebracht. Bei dem ersten Verfahren treten Schwierigkeiten bei der Herstellung des Halbleiterelementes auf, da durch das Grundplattemmaterial die einzelnen Verfahrensstufen zur Herstellung der Halbleiteranordnung ungünstig beeinflußt werden können und bei den dabei erforderlichen Wärmebehandlungen das Halbleitermaterial leicht durch das Grundplattenmaterial verunreinigt wird. Insbesondere die gut wärmeleitenden und für solche Grundplatten besonders geeigneten Metalle Kupfer und Silber diffundieren bekanntlich sehr leicht in die Halbleitersubstanzen.

Wenn das fertiggestellte Halbleiterelement nachträglich mit der Grundplatte in Kontakt gebracht wird, so ergibt sich meist ein, schlechter Wärmeübergang. Außerdem kann durch die bei der Verbindung erforderliche Wärmebehandlung· und das zur Verbindung verwendete Mittel (Lötmetall) das Halbleiterelement leicht nachteilig beeinflußt werden.

So ist es beispielsweise bekannt, ein Siliziuniplättchen mit einer GoI dlegierung auf ein dünnes Bodenblech zu löten und dieses mit einem Metallgehäuse zu verschweißen. Sowohl beim Anlöten des Siliziumplätt- +5 chens als auch beim Anschweißen des Bodenbleches am Gehäuse ist eine Erwärmung des Halbleiters nicht zu vermeiden. Außerdem hat das dünne Bodenblech eine sehr geringe Wärmekapazität, so· daß bei starker Belastung die im Halbleiter entstehende Wärme nicht schnell genug abgeführt wird. Schließlich ist auch das Ätzen des aufgelöteten Halbleiterelementes schwierig. Es ist weiter bekannt, das Halbleiterelement auf einem Blechteller zu befestigen! und diesen mit den Verfahren zum Einbau

eines elektrischen Halbleiterelementes

in ein Gehäuse

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz

Aktienges ells chaf t,

Stuttgart-Zuffenhausen,

Hellmuth-Hirth-Str. 42

Hans Wagner, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

Gehäusehälften durch Löten oder Schweißen zu verbinden.

Abgesehen davon, daß es bei dieser Ausführungsform schwierig ist, eine dichte Verbindung der drei Teile zu erzielen, ist auch, hier die Wärmekapazität und Wärmeableitung ungenügend und ein Ätzen des Halbleiterelementes nach dem Anbringen der Anschlüsse schwierig.

Bei einer anderen bekannten Ausführunigsform wird das Halbleiterelement unter Zwischenlage einer isolierenden Schicht mittels eines Gummiringes gegen den Boden eines topfartigen Gehäuses gedruckt. Hierbei ergibt sich einerseits ein schlechter Wärmeübergang zwischen dem Halbleiter und dem Gehäuse, andererseits besteht die Gefahr, daß der im Gehäuse angeordnete Gummiring den Halbleiter, insbesondere bei Erwärmung, ungünstig beeinflußt.

Schließlich ist auch ein Sperrschichtgleichrichter bekannt, bei dem die einzelnen Gleichrichterelemente in der Vertiefung einer Kühlplatte festgeklemmt sind. Das Material der Kühlplatte übt also dauernd einen Druck auf die Gleiahrichterelemente aus, wodurch der Halbleiter nachteilig beeinflußt werden kann. Außerdem ist der Kontakt zwischen dem Halbleiterelement und der Kühlplatte nur auf wenige Berührungsstellen beschränkt, so daß sich sowohl in thermischer als auch in elektrischer Beziehung große Übergangswiderstände ergeben. Die Kühlplatten haben auch in diesem Falle nur eine geringe Wärmekapazität.

Bei einem Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als Zuleitung die-

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nenden Plättchen aus gut. wärmeleitendem Material ment kann, 'beispielsweise ein Siliziumleistungsgleichverbunden ist, in ein Gehäuse, das aus einer Grund- richter sein. Die Grundplatte 7 besteht aus leicht verplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem formbarem und gut wärmeleitfähigem Metall, z. B. glockenförmigen Absohlußteil besteht, werden diese Weichkupfer. Die Ausnehmung 8 entspricht den AbNachteile gemäß der Erfindung dadurch vermieden, 5 messungen des Plättchens 4. Vorzugsweise ist der daß das mit dem Halbleiterelement verbundene Platt- Boden dieser Ausnehmung konkav ausgebildet, damit chen mindestens teilweise in eine Ausnehmung der sich bei der Verformung ein guter Kontakt mit dem wesentlich dickeren Grundplatte eingeführt und durch Plättchen 4 ergilbt. Die Ausnehmung 8 ist von einer plastische Verformung des·-Grundplattenmaterials in ringförmigen Nut 9 umgeben, die zum Einsetzen des kaltem Zustand mit der Grundplatte fest verbunden io Werkzeuges beim Verformen dient. Das Plättchen 4 wird und daß anschließen^' der glockenförmige Ge- ist zur Erzielung einer besseren Verbindung mit dem häuseteil mit der Grundplatte durch eine weitere pla- Material der Grundplatte konisch oder stufenförmig stische Verformung des Grundplattenmaterials in kai- ausgebildet und/oder mit Rillen versehen, so daß es tem Zustand verbunden wird. nach der Verformung in seiner Lage festgehalten

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Halb- 15 wird. Auch kann die Oberfläche des Plättchens, insbeleiterelement ohne irgendwelche Beeinträchtigung in sondere der Mantel, in beliebiger Weise aufgerauht einem getrennten Verfahrensschritt fertiggestellt wer- oder mit Vorsprüngen und Vertiefungen versehen sein, den kann. Das Material fmr das Plättchen kann so Da das fertige Halbleiterelement, wie es in Fig. 1

gewählt werden, daß keine·nachteilige Beeinflussung oben dargestellt ist, nach Anbringung der Elektrodendes Halbleiterelementes bei der Herstellung eintritt. 20 Zuleitungen einer Ätzbehandlung unterworfen wird, Auch Ätzbehandlungen können ohne weiteres durchge- werden die Elektrodenzuleitungen aus in der Ätzflüsführt werden, ohne daß eine Verunreinigung des Halb- sigkeit nicht löslichen Metallen hergestellt oder mindeleiters befürchtet werden muß, wenn das Material des stens mit solchen Überzügen versehen. Als Material Plättchens ein in der Ätzlösung unlösliches Metall ist. bzw. Überzug eignet sich besonders Gold. Bei einem

Weiter wird durch die Art der Verbindung des 25 nach diesem Verfahren hergestellten Halbleiterelement Plättchens mit dem Grundplattenmaterial ein sehr bestand die obere Elektrodenzuführung aus vergolguter Wärmeübergang zwischen beiden erzielt, ohne deter Silberlitze und das Plättchen 4 aus Silber mit daß eine Erwärmung des Halbleiterelementes bei der einem Goldüberzug.

Verbindung erforderlich ist, und die dicke Grundplatte Wenn das Halbleiterelement mit seinen beiden Zuhat eine große Wärmekapazität, so daß bei stoßartiger 30 leitungen vollkommen fertiggestellt und gemessen ist, Belastung eine große Wärmemenge von der Grund- wird-es mit den Plättchen 4 in die Ausnehmung 8 der platte aufgenommen werden kann. Grundplatte eingesetzt, wie dies in Fig. 2 dargestellt

Da die Grundplatte gleichzeitig als Teil eines Ge- ist. Dann wird durch ein mit 10 und 11 bezeichnetes häuses verwendet wird und mit einem zweiten Ge- Werkzeug der Kupfersteg zwischen den Vertiefunhäuseteil, ebenfalls durch Verformung des Grundplat- 35 gen 8 und 9 so verformt, daß sich eine feste und gut tenmaterials in der Kälte, verbunden wird, ist nach wärmeleitende Verbindung mit dem Plättchen 4 ergibt. Fertigstellung des Halbleiterelementes keine Wärme- Das Werkzeug zum Verformen der Grundplatte bebehandlung mehr erforderlich, so daß die Eigenschaf- steht aus zwei ineinandergleitenden zylindrischen ten des Halbleiterelementes konstant bleiben. Stempeln 10 und 11. Der Stempel 11 wird zunächst in

Weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der 40 die Ausnehmung 9 der Grundplatte gesenkt und verErfindung sollen an Hand eines Ausführungsbeispieles hindert ein seitliches Ausweichen des Grundmaterials näher erläutert werden. nach außen. Danach wird durch den inneren Stempel

In den Fig. 1 bis 3 sind-einzelne Verfahrensschritte 10 der Steg so verformt, daß das Grundplattenmaterial des vorliegenden Verfahrens dargestellt. das Plättchen 4 fest- umschließt. Der endgültige Zu-

Fig. 1 zeigt das mit dem Plättchen verbundene Halb- 45 stand ist in FLg. 3 dargestellt. Die Form der Grundleiterelement und die Ausbildung der Grundplatte vor platte vor dem Verformen ist gestrichelt angedeutet, dem Zusammenbau; An den mit Pfeilen bezeichneten Stellen wurde das

Fig. 2 zeigt schematisch die Befestigung des Halb- Grundplattenmaterial verformt. Es soll noch erwähnt leiterelementes an der Grundplatte und werden, daß es in vielen Fällen vorteilhaft ist, wenn

Fig. 3 das in ein Gehäuse eingebaute Halbleiter- 50 das Grundplattenmaterial nur so weit verformt wird, element. daß es nur den unteren, breiteren¹ Teil des Plättchens 4

In allen Figuren sind Grundplatte, Gehäuse und umfaßt. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Werkzeuge im Schnitt dargestellt. obere Teil des Plättchens 4 unter Druck gesetzt und

Das Halbleiterelement nach Fig. 1 besteht beispiels- die . Verbindung mit dem Halbleiterplättchen 1 nachweise aus einem Halbleiterplättchen 1 aus Germanium 55 teilig beeinflußt wird.

oder Silizium, in dem beispielsweise durch eine Be- Die Rille 9 kann zur Befestigung des glockenförmi-

handlung- mit dotierenden -Stoffen ein pn-übergang gen Gehäuseteils dienen, wobei'die Grundplatte so auserzeugt wurde. Dieses Halbleiterplättchen ist mit den gebildet ist, daß sie als zweiter Gehäuseteil dient und Elektrodenzuleitungen 5 und 4 verbunden. Die Elek- vorzugsweise Mittel zur Befestigung der ganzen HaIbtrodenzuleitung 5 besteht beispielsweise aus Kupfer- 60 leitervorrichtung aufweist. Bei der in Fig. 3 darge- oder Silberlitze, die am Ende durch einen Schweiß- stellten Ausführungsform hat die Grundplatte? einen Vorgang zu einem massiven Metallteil 6 verschmolzen mit Gewinde versehenen Ansatz 16, der zur Befestiwurde. Das Metallplättchen 4, das in diesem Falle gung der Halbleitervorrichtung auf einem Chassis, das stufenförmig ausgebildet ist, dient als zweite Elek- als Kühlvorrichtung ausgebildet sein kann, dient. Der trodenzuleitung. Die beiden Elektrodenzuleitungen 65 zweite Gehäuseteil besteht in diesem Falle aus einem sind an den Stellen 2 und 3 mit dem Halbleiterplätt- mit einem Fuß versehenen zylindrischen Stahlröhrchen chen 1, beispielsweise durch Löten, verbunden, wobei 12, das an einem Ende durch die Glasperle 13 abgedie Verbindungssubstanz gleichzeitig zur Erzeugung schlossen ist. In die Glasperle ist ein Röhrchen 14 einvon pn-Übergängen durch Diffusion oder Einlegieren geschmolzen, das zur Aufnahme der Elektrodenzuleidienen kann. Das in Fig. 1 dargestellte Halbleiterele- m tung 5 dient.

Claims

N'achdem das Halbleiterelement mit dem Gehäuseteil 7 in der beschriebenen Weise verbunden wurde, wird das Röhrchen 12 in die ringförmige Ausnehmung 9 eingesetzt und gleichzeitig die Litze 5 durch das Röhrchen 14 hindurchgeführt. Durch einen geeign-eten, in Fig. 3 nicht dargestellten Stempel wird nun das außerhalb des Röhrchens 12 'befindliche Material des Unterteils 7 an den mit den Pfeilen bezeichneten Stellen nach unten gedruckt und verformt sich dabei so, daß die Ausnehmung 9 vollkommen geschlossen wird und sich eine vakuumdichte Verbindung der beiden Gehäuseteile 7 und 12 ergibt. In Fig. 3 ist die fertig eingebaute Halbleitervorrichtung dargestellt. Die verformten Teile des Unterteils 7 sind gestrichelt angedeutet. In !gleicher Weise wird eine dichte Verbindung zwischen der Litze 5 und dem Röhrchen 14 durch Verformung des Röhrchens an der Stelle 15 erzielt. Auf diese Weise kann das Halbleiterelement vollkommen vakuumdicht in ein Gehäuse eingebaut werden, ohne daß dabei eine Beeinträchtigung· der Eigenschaften des Halbleiterelementes eintreten kann. Das vorliegende Verfahren ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können selbstverständlich auch andere Halbleiterelemente mit einer beliebigen Anzahl von Elektroden nach diesem Verfahren in ein Gehäuse eingebaut werden. Natürlich ist es auch möglich, auf einer Grundplatte mehrere Halbleiterelemente in dafür vorgesehenen Ausnehmungen gleichzeitig oder nacheinander zu hefestigen, beispielsweise zur Erzielung von besonderen. Schaltungsanordnungen. P V Γ E N T \ N S P K Γ C H E :

1. Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als elektrische Zuleitung dienenden Plättchen aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, in ein Gehäuse, das aus einer Grundplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem glockenförmigen Abschluß- 4-° teil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Halbleiterelement verbundene Plättchen mindestens teilweise in eine Ausnehmung der wesentlich dickeren Grundplatte eingeführt und durch plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand mit der Grundplatte fest verbunden wird und daß anschließend der glockenförmige Gehäuseteil mit der Grundplatte durch eine weitere plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Halbleiterelement verbundenes Plättchen verwendet wird, das auf der vom Halbleiter abgewandten Seite eine größere Ausdehnung aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein konisch geformtes Plättchen verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein stufenförmig ausgebildetes Plättchen verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plättchen verwendet wird, das mit Rillen, Vorsprüngen, Vertiefungen und/ oder mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in der Grundplatte, in die das Plättchen eingeführt wird, mit einem unebenen, insbesondere konkav gewölbten Boden versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte mit einer konzentrisch um die Ausnehmung zur Aufnahme des Plättchens verlaufenden ringförmigen Vertiefung versehen und der ringförmige Steg verformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens außen aus Edelmetall bestehendes Plättchen verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Silberplättchen mit Goldüberzug verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen mit dem Halbleiter verlötet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens teilweise aus dotierenden Substanzen bestehendes Lötmetall verwendet und der Lötvorgang mit einer Wärmebehandlung zum Eindiffundieren oder Einlegieren der Störstoffe verbunden wird,

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Grundplatte durch einen senkrecht zur Ebene des Plättchens bewegbaren Stempel verformt und durch einen weiteren Stempel am Ausweichen nach außen verhindert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterelemente gleichzeitig oder nacheinander auf einer Grundplatte befestigt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 039 645;

schweizerische Patentschrift Nr. 219 294;

»SEG-Nachrichten«, Band 5 (1957), Heft 1, S. 36 bis 38;

»Nachrichtentechnische Fachberichte, Beihefte der NTZ«, Band 1 (1955), S. 33 bis 36.

Ilier/u 1 Blatt Zeichnungen