DE1170558B - - Google Patents

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOlI
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1170 558
Aktenzeichen: S 75279 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 12. August 1961
Auslegetag: 21. Mai 1964
Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau einer elektrischen Halbleiteranordnung, insbesondere eines Halbleitergleichrichters, bei der mindestens an derjenigen Fläche, an der das eigentliche Halbleiterelement einen weiteren Körper aus einem Werkstoff anderer thermischer Dehnung benachbart liegt, nur eine unter Druck stehende gegenseitige gleitfähige Anlage vorgesehen ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung.
Bekannt war der Aufbau einer Halbleiteranordnung, wonach das Halbleiterplättchen aus Germanium oder Silizium an der einen Oberfläche mit einem Metallplättchen, ζ. B. aus Silber mit einem Goldüberzug, verlötet ist. Mit diesem Plättchen, dessen Mantelfläche konisch oder stufenförmig gestaltet und mit Rillen, Vorsprüngen oder Vertiefungen versehen oder aufgerauht sein kann, wird das Halbleiterelement an der aus Kupfer bestehenden Grundplatte des Gehäuses in eine einen in Richtung auf ihre offene Grundfläche konvexen Boden besitzende Ausnehmung eingesetzt. Dann wird der Rand dieser Ausnehmung mittels eines Werkzeuges gegen die Mantelfläche des Metallplättchens verformt und an dieser Mantelfläche das Halbleiterelement an der Grundplatte des Gehäuses derart fest eingespannt, daß es mit der Grundplatte eine solche mechanische Einheit bildet, bei welcher jede relative Bewegung an den gegenseitigen Kontaktflächen durch die Einspannkörper unterbunden ist.
Bei einer anderen bekannten Anordnung ist die Halbleiterplatte auf einer Scheibe aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung montiert, während auf ihrer gegenüberliegenden Oberfläche zur Bildung einer Sperrschicht eine Schicht aus Aluminium oder aus Bor oder einem anderen Werkstoff vorgesehen ist. Dieses Halbleiterelement sitzt zwischen Scheiben aus weichem Metall, wie einer Bleilegierung. Über die der Sperrschichtelektrode benachbarte weiche Scheibe wird das Halbleiterelement gegen die innere Fläche der die eine Elektrode der Halbleiteranordnung bildenden Grundplatte des Gehäuses angepreßt, indem gegen die weiche Metallscheibe an der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte aus der Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung ein pilz- bzw. knopf artiger Körper über ein System kreuzweise auf den Schaft der Pilzform mit einer Aussparung auf ihrer mittleren Länge befestigter Blattfedern angepreßt wird, die sich mit den freien Enden ihrer Schenkel gegen die innere Mantelfläche der zweiten Anschlußplatte des Gehäuses abstützen.
Hierbei steht das Halbleiterelement über weiche Halbleiteranordnung, insbesondere
Halbleitergleichrichter, und Verfahren
zu ihrer Herstellung
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
DipL-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld (OFr.),
Herbert Vogt, München
Zwischenlagen aus Blei und über eine aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehende Zwischenplatte mit den Gehäuseplatten bzw. Elektroden in Verbindung, die aber eine relativ schlechte elektrische und thermische Leitfähigkeit haben und wobei außerdem das Ziel befolgt ist, daß die weichen Zwischenlagen sich in die Nachbarkörper in deren Oberflächenunregelmäßigkeiten eindrücken können bzw. sollen zur Herstellung eines innigen Kontaktes. Dann ist aber an diesen gegenseitigen Berührungsflächen benachbart liegender Körper aus verschiedenen Werkstoffen bei in thermischer Abhängigkeit auftretenden verschiedenen Dehnungen keine gegenseitige relative Gleitfähigkeit der benachbart liegenden Körper an diesen Berührungsflächen gewährleistet, so daß unerwünschte Schubspannungen in dem Schichtensystem zur Entstehung gelangen können, die sich auf das Halbleiterelement nachteilig auswirken können.
Die Aufgabe der Erhaltung einer gegenseitigen Gleitfähigkeit der miteinander in Berührungskontakt stehenden Körper mit voneinander abweichender thermischer Dehnung in einer Halbleiteranordnung der eingangs angeführten Art läßt sich jedoch einwandfrei lösen, indem erfindungsgemäß bei der eingangs genannten Halbleiteranordnung an der gleitfähigen Anlage eine Nickelfläche mit einer Silberfläche zusammenwirkt.
Es kann dabei die Fläche aus Nickel entweder dem Halbleiterelement und die Silberoberfläche dem weiteren Träger benachbart liegen, oder umgekehrt.
Die Nickelfläche ebenso wie die Silberfläche können dabei einer besonderen selbständigen Zwischenlage angehören, oder sie können auf den betreffenden
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Körper derart aufgebracht und mit ihm verbunden dargestellt ist. Dieser becherförmige Körper ist an sein, daß sie an diesem einen Überzug bzw. eine Auf- seiner äußeren Mantelfläche mit einer Riffelung bzw. lage darstellen. Ein solcher Überzug kann z. B. gal- Rändelung 3 versehen, damit dieser Gehäusekörper vanisch oder nach einem stromlosen chemischen in eine Aussparung irgendeines weiteren Trägers ein-Verfahren aufgebracht und dann gegebenenfalls zu- 5 gepreßt werden kann. Dieser Gehäuseteil 3 weist sätzlich, wenn aus technologischen Gründen an dem einen Sockelteil 4 auf, der gegebenenfalls besonders betreffenden Körper zulässig, eingebrannt werden. plan geschliffen bzw. geläppt sein kann. Um diesen Es kann auch der Fall sein, daß an einem Halb- herum ist ein Isoliermaterialring 5, z. B. aus Keraleiterelement an sich ein Nickelüberzug aufgebracht mik, Glimmer oder Polytetrafluoräthylen, vorgewird, um auf diese Weise für eine Verlötung geeig- io sehen. Auf dem Sockelteil 4 liegt eine Zwischenlage 6 nete Oberflächenstellen an dem Halbleiterelement zu aus Silber. Auf der Zwischenlage 6 liegt das bereits schaffen. Nach der Erfindung können diese Nickel- fertiggestellte Halbleitergleichrichterelement 7. Dieses überzüge dann unmittelbar für die Zwecke der Erfin- besteht z. B. aus einer Halbleiterplatte aus Silizium, dung, also nicht für eine Verlötung, sondern zur BiI- in welche von beiden Oberflächen aus für die Erzeudung einer Nickelgleitfläche ausgenutzt werden, 15 gung der dotierten Zonen entsprechende Stoffe zur welche mit einer Gleitfläche aus Silber für die BiI- Eindiffusion gebracht worden sind. Auf diese Oberdung einer gleitfähigen gegenseitigen, unter Druck flächen ist dann z. B. nach dem stromlosen chemistehenden Anlage zusammenwirkt. Das ist z. B. der sehen Verfahren zur Bildung von entsprechenden Fall bei Halbleiterelementen, welche mit ihren do- Anschlußkontaktflächen je eine Nickelschicht aufgetierten Zonen durch die Eindiffusion der entspre- 20 bracht worden. Das Halbleiterelement 7 liegt also chenden Dotierungsstoffe . in den Halbleiterkörper mit seiner unteren Fläche über eine an ihm vorhanausgestattet werden und wonach dann auf diese dene Nickelschicht auf der Silberplatte 6. Auf der Zonen für den elektrischen Anschluß ein entspre- oberen Fläche des Halbleiterelementes 7 bzw. dessen chender Nickelüberzug, z. B. nach einem solchen be- Nickelschicht liegt wieder eine Silberplatte 8. Auf reits angeführten stromlosen chemischen Verfahren, 25 dieser Silberplatte 8 wirkt mit Druck die untere aufgebracht wird. Bei einem solchen Halbleiterele- Fläche eines massiven Anschlußkontaktes 9. Dieser ment liegt also dann die Nickeloberfläche bereits vor, ist z. B. durch einen Preßschmiedevorgang aus Kup- und es wird an dem weiteren Träger, an welchem fer hergestellt mit einem Schaftteil 9 a und einem das Halbleiterelement gehalten werden soll, eine ent- pilzdachförmigen Teil 9 b, wobei an der Außenfläche sprechende Silberoberfläche erzeugt bzw. gegenüber 30 der Pilzform ein quaderförmiger Teil aufgesetzt erdieser Fläche eine entsprechende Silbereinlage be- scheint, der über eine gegebenenfalls besonders plan nutzt. geschliffene Endfläche in der angegebenen Weise mit Für die Gewährung der guten Gleitfähigkeit kann der Silberplatte 8 zusammengeführt ist. Der Teil 9 c es sich auch noch empfehlen, die entsprechenden ist ein Randteil, der bei dem Preßvorgang erzeugt Flächen, welche zur gegenseitigen Anlage kommen 35 worden ist, aber bei dem Aufbau nicht störend ist. sollen bzw. mit einem Überzug aus Nickel bzw. SiI- Die dem Schaft zugewandte Fläche der Pilzdachform ber versehen werden sollen, vorher einem besonderen 9d kann plan geschliffen sein. Auf ihr sitzt ein Iso-Läppprozeß zu unterwerfen, so daß dann die ange- lierkörper 10. Dieser weist einen Absatz 11 auf. Auf gebenen Flächen bis auf die durch die Körnung des diesem sitzen drei in ihrer Wirkung in Reihenschal-Läppmittels bestimmte Rauhtiefe geglättet sind. 40 tung arbeitende Tellerfedern 12 bis 14, die sich an Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, ihrem inneren bzw. äußeren Rand gegeneinander abwenn nicht nur eine gegenseitige gleitfähige Anlage stützen. An der Anordnung ist ferner zum Abschluß zwischen dem Halbleiterelement und dem weiteren des Kammerraumes und für die isolierte Hindurch-Trägerkörper benutzt wird, an welcher eine Nickel- führung des Schaftes des starren Anschlußkontakoberfläche mit einer Silberoberfläche zusammenwirkt, 45 tes 9 eine Druckglasdurchführung vorhanden, welche sondern wenn mehrere solche gleitfähigen gegenseiti- aus einem äußeren Ringteil 15, dem Glasisolierkörgen Anlagen in einer Reihenschaltung benutzt wer- per 16 und dem inneren Hülsenkörper 17 besteht, den. So kann beispielsweise auf der Halbleiterele- Dieser Körper 17 hat ein gewisses Spiel gegenüber ment- bzw. der Halbleiteroberfläche eine entspre- der äußeren Mantelfläche des Schaftes 9 a des Konchende Nickelschicht vorgesehen sein und eine 50 taktes 9, damit auf diese Weise mindestens ein Kapilzweite Nickelschicht auf dem weiteren Träger vor- larspalt 18 entsteht, in welchen ein schmelzflüssiges gesehen sein und zwischen diesen beiden Nickelflä- Lot eingebracht und dann vorzugsweise selbsttätig in chen mindestens eine Einlage aus Silber benutzt wer- diesen Spalt hineingesaugt wird. Rechts in der Figur den, oder es können sinngemäß umgekehrt Silber- ist zu erkennen, wie der Randteil 2 des Gehäuses 1 flächen mit einer Nickelzwischenlage benutzt werden. 55 an seinem Ende bereits nach innen umgebördelt ist, Ferner können aufeinanderfolgend und abwechselnd so daß er auf diese Weise auf die obere Endfläche Zwischenlagen aus je einem der beiden Werkstoffe 15 α des Ringes 15 der Druckglasdurchführung wirkt oder aus je einer Schichtung dieser beiden Werkstoffe und damit die untere Fläche 15 b dieses Ringes auf benutzt werden. dem Absatz 1 α des Gehäuses 1 festspannt. Zwischen Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand 60 der freien Fläche 1 b des umgebördelten Randes 2 eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die von 1 und dem frei nach außen liegenden Mantelteil Figur der Zeichnung Bezug genommen, wobei sich 15 c von 15 wird zusätzlich eine Dichtlötung mittels gegebenenfalls noch weitere technisch vorteilhafte des Lotes 19 vorgenommen.
Einzelmerkmale ergeben. Diese Lötung und die Verlötung zwischen 17
Es bezeichnet 1 ein becherförmiges Gehäuse, z. B. 65 und 9 mittels des Lotes 20 können auch im Verlauf
aus Kupfer, welches zunächst, bevor die Halbleiter- eines einzigen Arbeitsprozesses durchgeführt werden,
anordnung zusammengebaut ist, einen nur zylindri- Wie aus der Figur der Zeichnung zu entnehmen
sehen Randteil 2 aufweist, wie er links an der Figur ist, ist die äußere Bodenfläche 20 des Behälters 1
nach innen durchgewölbt gestaltet. Eine solche Aufbauform der Fassung bzw. der Grundplatte einer Halbleiteranordnung kann sich nämlich dann als zweckmäßig erweisen, wenn, wie es bereits angeführt worden ist, die äußere Mantelfläche des Gehäuseteiles unmittelbar dazu benutzt wird, die Halbleiteranordnung mit Preßsitz in die Aussparung eines Trägers einzubringen. Bei der Entstehung dieses Preßsitzes ergibt sich dann sinngemäß eine mechanische Beanspruchung der Fassung. Hat nun die Bodenplatte eine solche Durchwölbung, dann wird diese mechanische Beanspruchung der Fassung der Halbleiteranordnung dazu führen, daß diese Bodenplatte das Bestreben hat, sich weiter nach innen durchzuwölben. Eine solche Durchwölbung erfolgt dann aber in vorteilhafter Weise im Sinne einer Steigerung der Spannung der Tellerfedern 12 bis 14. Würde sich nämlich bei der mechanischen Beanspruchung die Bodenplatte nach außen durchwölben, so würde das zu einer solchen Verformung an der Fassung Anlaß geben können, bei der in nachteiliger Weise eine teilweise Entladung der Federn 12 bis 14 von der in ihnen gespeicherten Energie stattfinden könnte, insbesondere wenn der gesamte Federweg relativ gering ist, so daß dann nicht mehr derjenige Anpreßdruck zwischen den Nickel- und Silberflächen vorhanden sein würde, der als Mindestwert als erwünscht angesehen wird.
Entstehen bei den verschiedenen Temperaturwerten, die die Halbleiteranordnung bei ihrem betriebsmäßigen Einsatz annimmt, an den benachbarten Flächen von Halbleiterelement und Gehäuseteil 1 bzw. Kontakt 9 verschiedene thermische Dehnungen, so können sich diese nicht in einer nachteiligen Beanspruchung des Halbleiterelementes über die gegenseitigen Anlageflächen auswirken, da an diesen nur eine gegenseitige gleitfähige Verbindung besteht.

Claims (18)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung, insbesondere Halbleitergleichrichter, bei der mindestens an derjenigen Fläche, an der das eigentliche Halbleiterelement einem weiteren Körper aus einem Werkstoff anderer thermischer Dehnung benachbart liegt, nur eine unter Druck stehende gegenseitige gleitfähige Anlage vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der gleitfähigen Anlage eine Nickelfläche mit einer Silberfläche zusammenwirkt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelfläche bzw. die Silberfläche als besonderer Überzug auf den entsprechenden Körper aufgebracht ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelfläche oder die Silberfläche als besondere, selbständige Zwischenlage vorgesehen ist.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage benachbart einem solchen Körper vorgesehen ist, der bei einer gegenseitigen Druckbeanspruchung zwischen der Zwischenlage und diesem Körper selbsttätig praktisch eine nicht lösbare Verbindung mit der Zwischenlage, wie z. B. zwischen Kupfer und Silber, einzugehen bestrebt ist.
5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der beiden benachbarten Körper, welche gegeneinandergepreßt werden, eine Nickelauflage und zwischen diesen beiden Auflagen eine besondere, selbständige Zwischenlage aus Silber vorgesehen ist.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der beiden benachbarten Körper, welche gegeneinandergepreßt werden, eine Silberauflage und zwischen diesen beiden Auflagen eine besondere, selbständige Zwischenlage aus Nickel vorgesehen ist.
7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, "daß an jedem der benachbarten Körper, welche gegeneinandergepreßt werden, eine Nickel- oder eine Silberauflage und zwischen diesen beiden Auflagen eine besondere, selbständige Zwischenlage aus einer abwechselnden Schichtung von Nickel und Silber vorgesehen ist.
8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement in ein Gehäuse eingeschlossen ist und mit seiner einen Fläche auf einem sockelartigen Teil festgespannt ist, der von einem Isolierkörper zur Lageorientierung der auf dem Sokkel angeordneten Teile umschlossen ist.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der sockelartige Teil an einem Gehäuseteil befestigt ist, der von seiner äußeren Oberfläche aus mit einer Durchwölbung bzw. einem konkaven Teil versehen ist.
10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußkontakt, der gegen den das Halbleiterelement, tragende Gehäuseteil elektrisch isoliert ist, über ein Federsystem, welches sich gegen den äußeren metallischen Fassungsring der elektrisch isolierenden Durchführung abstützt, an das Halbleiterelement angepreßt wird.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem aus Tellerfedern besteht.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem sich über einen Isolierkörper gegen den an das Halbleiterelement anzupressenden Kontakt abstützt.
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper gleichzeitig mit einem zentralen Teil einen Führungsdorn für die Federn des Federsystems bildet.
14. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Federsystem Tellerfedern verschiedenen Durchmessers benutzt sind, und zwar solche kleineren Außendurchmessers benachbart der Einwirkungsstelle auf den anzupressenden Kontakt und solche größeren Außendurchmessers benachbart der Abstützstelle an der äußeren metalli-. sehen Fassung der elektrisch isolierenden Durchführung.
15. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer Druckglasdurchführung mit einer inneren Hülse für die Aufnahme des elektrischen Anschlußkontaktes zwischen dem Halbleiterelement und einem äußeren Druckring, dadurch gekennzeichnet, daß der
Druckring auf einen Absatz eines becherförmigen Gehäuses aufgesetzt und auf diesem durch den vorgeformten Rand eines ihn umschließenden Mantelteils der Becherform festgespannt ist.
16. Halbleiteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsstelle zwischen dem verformten Rand der Becherform des Gehäuses und dem äußeren Ring der isolierten Durchführung noch durch eine zusätzliche Verlötung abgedichtet ist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements für eine Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn-
zeichnet, daß in den Halbleiterkörper die dotierten Zonen durch Eindiffundieren der Dotierungsstoffe erzeugt und die Oberflächen dieser Zonen für die Kontaktierung mit den Anschlußleitern mit einem Nickelüberzug versehen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelüberzug mit Hilfe eines stromlosen chemischen Verfahrens erzeugt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 098 103;
USA.-Patentschrift Nr. 2 956 214.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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