DE1153461B - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S71897Ymc/21g

A NM E 1,DETAG: 30. DEZEMBER I960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER ABStEGESGHRIFT: 29. AUGUST 1963

Halbleiterelemente mit pn-Übergangsschichten in einkristallinen Halbleiterkörpern, ζ. Β. aus Germanium oder Silizium, müssen wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen in ein evakuiertes oder mit einem Schutzgas gefülltes Gehäuse eingeschlossen werden. Es ist bekannt, das einschließlich seiner Elektroden fertiggestellte Halbleiterelement durch Weichlötung fiächenhaft mit einer Wand des Gehäuses, z. B. dessen Boden, zu verbinden. Da das Gehäuse die Verlustwärme des Halbleiterelementes ableiten muß, wird es üblicherweise aus Kupfer mit entsprechend großen Wanddicken gefertigt, während die aufgelötete Elektrodenplatte des Halbleiterelementes im allgemeinen aus einem Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht, beispielsweise Molybdän oder Wolfram. Daraus ergibt sich, daß die Weichlotschicht bei Temperaturänderungen der Anordnung erheblichen thennischen Spannungen unterliegt.

Gegenstand der Hauptpatentanmeldung S 69 069 VIII c/21g ist eine Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes fiächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden ist, das zur Abführung der Verlustwärme bestimmt ist und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Elektrodenplatte. Nach dem Vorschlag der Hauptpatentanmeldung werden die oben geschilderten Schwierigkeiten dadurch behoben, daß zwischen der Elektrodenplatte und dem genannten Bauteil eine Ausgleichsplatte mit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser geringer Dicke angeordnet ist, die mosaikartig aus einer Vielzahl metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist. Infolge der Auflösung in eine Vielzahl von Einzelelementen ist die Ausgleichsplatte weitgehend in der Lage, thennischen Dehnungsvorgängen der Elektrodenplatte bzw. des metallischen Bauteils, insbesondere des Gehäusebodens, zu folgen. Im Rahmen der Hauptpatentanmeldung ist ferner vorgeschlagen, die Ausgleichsplatte in der Weise herzustellen, daß ein Drahtbündel, beispielsweise aus Kupferdraht, mit möglichst enger Passung in ein Rohr eingeschoben wird und daß von diesem Rohr Scheiben passender Dicke abgesägt werden. Man erhält auf diese Weise ein flaches Bündel von Kupferstiften, die von einem metallischen Ring zusammengehalten sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung der Halbleiteranordnung nach der Hauptpatentanmeldung mit einer Ausgleichsplatte, die mosaikartig aus einer Vielzahl von einem metallischen Ring zusammengehaltener metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist. Sie besteht darin, daß das Metall des Rin-Halbleiteranordnung

Zusatz zur Patentanmeldung S 69069 VHIc/21g (Auslegeschrift 1141029)

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Erich Waldkötter, Erlangen, ist als Erfinder genannt worden

ges einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der nicht wesentlich größer ist als derjenige der angrenzenden Elektrodenplatte.

Die Erfindung und die Überlegungen, die ihr zugrunde liegen, sollen an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert werden, die ein Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung nach der Hauptpatentanmeldung darstedlen.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Siüzium-pn-Gleichrichter üblichen Aufbaus bezeichnet, wobei die Dickenmaße der einzelnen Schichten zur Verdeutlichung übertrieben sind. Mit 2 ist eine einkristalline Siliziumplatte bezeichnet, die in bekannter Weise zur Herstellung eines gleichrichtenden pn-Überganges dotiert ist. An der Unterseite der Siliziumplatte 2 befinden sich eine dünne Aluminiumschicht 3 und eine relativ dicke Molybdänplatte 4, die zur Verbesserung der Lötfähigkeit noch mit einer Eisen-Nickel-Legierung 5 plattiert sein kann. Auf der Oberseite der Siliziumplatte 2 liegen eine Goldschicht 6 und eine Molybdänplatte 7, die ebenfalls mit einer Eisen-Nickel-Plattierung 8 versehen sein kann. Die relativ dicken Molybdänplatten 4 und 7 haben etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α=5,1· 10"⁶-grad~¹) wie die Siliziumplatte 2 (a«5-10"⁶-grad-i); das gesamte Element 1 verhält sich daher bei Temperaturänderungen etwa wie ein einheitlicher Körper, da die dünnen Zwischenschichten 3 und 6 aus Aluminium bzw. Gold keine wesentlichen Spannungen erzeugen. Für die Elektrodenplatten 4 und 7 kann auch Wolfram (a=4,5-10~⁶-grad~¹) verwendet werden.

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Mit 12 ist der Boden des das Element hermetisch abschließenden Gehäuses bezeichnet, das als dickwandiger Becher aus Kupfer (a=16,5-10"⁶-grad~¹) ausgebildet ist. Beim Zusammenbau der Anordnung ist das Element 1 auf den Geihäuseboden 12 aufzulöten. Ferner ist seine obere Elebtrodenplatte 7/8 mit dem kupfernen Schuh 14 einer flexiblen Stromzuleitung 13 zu verlöten. Da das Halbleiterelement 1 keine sehr hohen Temperaturen verträgt, wird hierfür vorzugsweise eine Weichlötung verwendet, die sich bei Temperaturen um 200° C durchführen läßt.

Das Halbleiterelement 1 wird nun nach dem Erfindungsgedanken der Hauptpatentanmeldung nicht unmittelbar auf dem Boden 12 des Gehäuses aufgelötet, sondern unter Zwischenlage einer Ausgleichsplatte 9. Die Platte 9, die in Fig. 2 in der Draufsicht dargestellt ist, ist aus einer Vielzahl von zylindrischen Kupferdrahtstiften 9' zusammengesetzt, die durch einen Ring 11 zusammengehalten werden. Zur Vorbereitung der Verlötung werden die beiderseitigen Stirnflächen der Kupferßtifte 9' verzinnt, worauf dann die gesamte Ausgteiöhsplatte 9 zwischen den Bauelementen S und 12 weich eingelötet wird. Um ein Einlaufen des Lotes zwischen die Kupferstifte 9' zu verhindern, sind die Mantelflächen der Stifte 9' mit einer nicht lötbaren Schicht überzogen, z. B. oxydiert.

Beim Einlöten der Platte 9 zwischen den Teilen 5 und 12 befinden sich alle Teile auf der Löttemperatur von etwa 200° C. Thermische Spannungen bestehen nicht. Nach dem Abkühlen hat sich der Gehäuseboden 12 (Kupfer) wegen seines höheren Ausdehnungskoeffizienten stärker zusammengezogen als die Molybdänplatte 4; daraus ergibt sich, daß die Kupferstifte 9' im kalten Zustand etwas nach oben divergieren. Dadurch sind zwischen ihnen geringfügige Abstände entstanden, die es der Ausgleichsplatte 9 gestatten, den Dehnungen der angrenzenden Bauteile bei Temperaturänderungen im späteren Betrieb ohne Entstehung innerer Spannungen zu folgen.

Es sei zunächst angenommen, daß für den Ring 11 ein Material verwendet wird, das etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie die Kupferstifte 9', also beispielsweise ebenfalls Kupfer. Beim Einlöten hat die Ausgleichsplatte 9 insgesamt einen Durchmesser, der einer Temperatur von etwa 200° C entspricht; das gleiche gilt für die Molybdänplatte 4. Beim Abkühlen schrumpft der Durchmesser des Ringes 11 wegen seines höheren Ausdehnungskoeffizienten stärker als der Durchmesser der Molybdänplatte 4. Da jedoch die oberen Querschnitte der Kupferstifte 9' mit der Molybdänplatte verlötet sind, besteht die Gefahr, daß der schrumpfende Ring 11 zumindest die außenliegenden Stifte 9' wieder von der Molybdänplatte 4 abschert.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit wird gemäß der vorliegenden Erfindung für den Ring 11 ein Material verwendet, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient höchstens etwa so groß ist wie der der Elektrodenplatte 4, wenn die Elektrodenplatte 4, wie angenommen, aus Molybdän mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 5,l-10~⁶-grad~¹ besteht, soll also der Ausdehnungskoeffizient des Ringes 11 kleiner oder wenigstens nicht wesentlich größer sein als dieser Wert. Für den Ring 11 wird vorzugsweise eine Eisen-Nickel-Legierung verwendet, die sich durch entsprechende Wahl ihrer Zusammensetzung mit einem passenden Audehnungskoeffizienten von beispielsweise 5· 10~⁶-grad~¹ herstellen läßt. Ein solcher Ring schrumpft bei der Abkühlung der Anordnung nach der Lötung höchstens so stark wie die Molybdänplatte 4; er kann also keine nachteiligen Kräfte auf die Kupferstifte 9 ausüben.

Es ist vorteilhaft, beim Einlöten dear Platte 9 eine Verlötung des Ringes 11 mit dem Boden 12 bzw. der Plattierung 5 zu vermeiden; zu diesem Zweck kann der Ring 11 ebenso wie die Kupferstifte 9' oxydiert oder mit einer anderen Schicht überzogen sein, die kein Lot annimmt.

In entsprechender Weise kann auch der Schuh 14 mit einer Ausgleichsplatte 10 versehen werden, die in gleicher Weise wie die Ausgleichsplatte 9 aus kurzen Kupferdrahtstücken 10' zusammengesetzt ist.

Wie in der Beschreibung der Hauptpatentanmeldung bereits ausgeführt ist, werden zur Herstellung der Kupferstifte 9' vorzugsweise Kupferdrähte mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm verwendet, wobei die gesamte Scheibe 9 bei einem Durchmesser von beispielsweise 20 mm eine Dicke von etwa 2 mm erhalten kann.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes nächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden ist, das zur Abführung der Verlustwärme bestimmt ist und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Elektrodenplatte, und bei der zwischen der Elektrodenplatte und dem genannten Bauteil eine Ausgleichsplatte mit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser geringer Dicke angeordnet ist, die mosaikartig aus einer Vielzahl von einem metallischen Ring zusammengehaltener metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist, nach Patentanmeldung S 69 069 VIIIc/21g, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Ringes einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der nicht wesentlich größer ist als derjenige der angrenzenden Elektrodenplatte.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1047 950, 1050 450.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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