DE1185728B - Halbleiteranordnung, insbesondere Flaechengleichrichter oder -transistor mit einem einkristallinen Halbleiterelement - Google Patents

Halbleiteranordnung, insbesondere Flaechengleichrichter oder -transistor mit einem einkristallinen Halbleiterelement

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DE1185728B
DE1185728B DES68563A DES0068563A DE1185728B DE 1185728 B DE1185728 B DE 1185728B DE S68563 A DES68563 A DE S68563A DE S0068563 A DES0068563 A DE S0068563A DE 1185728 B DE1185728 B DE 1185728B
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semiconductor arrangement
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Siemens AG
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KI.: HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1185 728
Aktenzeichen: S 68563 VIII c/21 g
Anmeldetag: 18. Mai 1960
Auslegetag: 21. Januar 1965
Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau einer elektrischen Halbleiteranordnung bzw. eines elektrischen Halbleiterbauelementes, insbesondere eines Flächengleichrichters oder eines Flächentransistors, mit einem einkristallinen Halbleiterelement, welches zwischen zwei Druckkörpern eingespannt ist.
Halbleiterbauelemente eines solchen Aufbaues sind in der Form bekanntgeworden, daß ein Halbleiterkörper an seinen beiden einander über die Dicke dieses Körpers gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektrodenkörpern von kleinerer Flächenausdehnung versehen ist, und diese Elektroden zwischen Flächen von Haltekörpern eingesetzt sind, die ihrerseits mit einem gemeinsamen Träger unter gleichzeitiger Beachtung entsprechender Isolationsgesichtspunkte wegen des verschiedenen Spannungswertes der Elektroden beim betriebsmäßigen Einsatz des Halbleiterelementes mechanisch starr verbunden sind. Um den dabei an den Aufbauteilen betriebsmäßig temperaturabhängig auftretenden verschiedenen bzw. abweichenden Dehnungen Rechnung zu tragen, ist entweder ein gewisses Verhältnis zwischen der Länge der durch das Indium gebildeten anteiligen Strecke und der durch das Germanium des Halbleiterkörpers gebildeten anteiligen Strecke zwischen den einzelnen Körpern des Halbleiterbauelementes gewählt, daß unter Berücksichtigung der Dehnung der z. B. aus Kupfer bestehenden Halter und deren ebenfalls z. B. aus Kupfer bestehenden gemeinsamen Trägers stets die gleiche sichere Einspannung des Halbleiterelementes erreicht wird.
Es ist auch bekannt, den einen Halter des einen starr mit dem weiteren gemeinsamen Träger der Haltekörper verbundenen Anteil aus einem in diesem geführten becherförmigen Hohlkörper herzustellen und diesen mit seiner äußeren Bodenfläche unter der Wirkung eines Kraftspeichers an das Halbleiterelement anzupressen.
Es soll durch diese Lösung ein Ausgleich der thermischen Dehnungen der zusammenwirkenden Elemente in der axialen Richtung des Halbleiterelementes erreicht werden.
Es ist weiterhin bekannt, eine solche Anordnung am Halbleiterkörper noch mit einer Schutzumhüllung gegen äußere Einflüsse bzw. die Atmosphäre zu versehen unter Erhaltung der relativen Nachgiebigkeit der Teile in der Achsrichtung des Halbleiterkörpers gegenüber in dieser Richtung auftretenden relativen Dehnungen der anteiligen Körper des Halbleiterbauelementesystemaufbaues einschließlich dieser Umhüllungsanteile.
Halbleiteranordnung, insbesondere
Flächengleichrichter oder -transistor
mit einem einkristallinen Halbleiterelement
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Karl Heinz Geyer, München
Bei solchen Lösungen wurde es als günstig angesehen, wenn die Elektroden, welche mit Nachbarkörpern zusammenwirken, aus Indium bestehen und sich daher als geeignet erweisen, mit dem jeweils benachbarten Körper an den gegenseitigen Anlageflächen miteinander eine starre Verbindung nach Art einer Druckverschweißung einzugehen.
Mit der gleichen Zweckbestimmung für die Übernahme von beim Einsatz des Halbleiterbauelementes in der Achsrichtung des Halbleiterkörpers auftretenden relativen Dehnungen am Halbleiterkörper und anteiligen Aufbauelementen des das Halbleiterelement einschließenden und gegebenenfalls mit Flüssigkeit für eine Verdampfungskühlung gefüllten Gehäuses ist bei einer weiteren bekannten Anordnung der Halbleiterkörper zwischen anteiligen Gehäuseteilen eingesetzt sowie elektrisch und mechanisch mit diesen verbunden; hierbei ist mindestens eines der Gehäuseteile durch seine Aufbauform für eine axiale Nachgiebigkeit in Richtung der Achse des Halbleiterkörpers eingerichtet.
Das Wesen der Erfindung besteht bei einer Halbleiteranordnung der eingangs angeführten Art darin, daß erfindungsgemäß das Halbleiterelement auf den einander gegenüberliegenden Seiten je eine besondere Hilfsträgerplatte aufweist, deren Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials weitgehend benachbart liegt, und daß die von dem Halbleiterkörper angewandte Endfläche jeder Hilfsträgerplatte gleitfähig an dem entsprechenden Druckkörper anliegt.
Bei einem solchen Aufbau eines elektrischen Halbleiterelementes ist vorgebeugt, daß dem mechanisch in sich stabil mit dem Halbleiterkörper verbundenen System durch im Aufbau folgende benachbarte Körper aus Werkstoffen abweichender thermischer Deh-
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nungen Schub- oder Biegespannungen im Sinne der Halbleiterkörpers und die diesem benachbarten Erscheinungen an einem Bimetallsystem aufgezwun- Metallkörper ein Überzug aus einem Kunstharz aufgen werden können, die zu Nachteilen für den Halb- gebracht wird. Statt dieses Überzuges aus Kunstharz leiterkörper führen können. Um solchen Erscheinun- kann auch eine Glasschutzhülle benutzt werden aus gen wirksam zu begegnen, wären sonst relativ dicke 5 einem GlaSwefksfoff, der Üön thermischen ÖeHnüh-Hilfsträgerplatten nötig, wobei aber diese wieder gen Rechnung trägt, die bei def betriebsmäßigen Strecken bedeuten würden, welche den Wärmewider- Beanspruchung bzw. bei der Behandlung des Halbstand des Systems für die Abführung der am Halb- lekferkörpör's für seine Fertigstellung auftreten könleiterelement anfallenden Joulescheii Wärme uner- ilen. Beim Aufbringen solcher Überzüge kann diese wünscht vergrößern. io Schutzschicht unmittelbar an allen Stellen des
Werden außerdem somit Verlötungen zwischen Systemschichtenaufbaues anliegen,
den mit dem Halbleiterkörper verbundenen Hilfs- Es kann aber auch eine solche Anordnung geträgerplatten und weiteren Trägern vermieden, so wählt werden, bei der die Schutzhülle an ihren Endbedeutet das auch eine Vermeidung von Zwischen- teilen mit den dem Halbleiterkörper benachbarten schichten, welche bei starken betriebsmäßigen und 15 Teilen der Halbleiteranordnung besonders verbuninsbesondere häufig auftretenden Tefnperäturschwan- den ist und um die Randzone des Halbleiterkörpers kungen unterworfen sein würden. Dies könnte Er- herüfri einen Hohlraum besteheil läßt, der gegöbemüdungserscheinungen hervorrufen, so daß sich eine nenfalls rilit einem besonderen Däfttpf oder Gas öder Verschlechterung im Zusammenhang des Gefüges anderem Mittel gefüllt wgfdeh kann. Es ist daher der Zwischenschicht als auch an den Verbindungs- 20 zweckmäßig und richtig, wenn diese Kapselungen als stellen mit den Nachteilen ergeben könnten, die auch die Überzüge bzw. Hüllen flüssigkeits- und gäswieder zu einer Verschlechterung des Güteverhaltens dicht hergestellt werden. Wird ein die Rand&mert des Halbleiterbauelementes sowohl in thermischer umschließender gehäuseartiger Teil benützt, so kann als auch in elektrischer Hinsicht führen können. es sich als zweckmäßig erweisen, von deii niit dem
Halbleiterkörper und Hilfsträgerplatten können 25 Isolierkörper, der wegen der verschiedenen Foläfi-
durch Anlegierung oder Lötung miteinander verbun- täten üiid Potentiale der Pole def Halbleiterärtötd-
den sein. nung zu benützen 1st, verbundenen metallischen
Werden die Hilfsträgerplatten mit mindestens Teileh mindestens einen dieser Ertdköfper nachgleicher Flächenaüsdehüüng an den gegenseitigen giebig Bzw. federnd auszubilden. Ef kahn zu diesem Berührungsflächen bemessen, wie sie die durch- 30 Zweck z. B. eifien Äüfbäü nach Art einer Memgehenden Flächen des Halbleiterkörpers besitzen, bran oder eines nahtlosen Wellrohres erhalten,
mit denen sie verbunden worden sind, sowie auch Die massiven Druckkörper, Welche als art dem die im SySternaufbau nachfolgenden Druckkörper Halbleiterkörper bzw. ihren Hilfstragerplattert gleitmit mindestens einer solchen Anlageflächen-Aus- fähig angepreßte WäfmeabfÜhrUrtgsköfpef bzw. eiekdehnüng bemessen, so können sich im System- 35 trische Anschhißleiter benützt Werden, köhnert aufbau, insbesondere am Halbleiterkörper, keine gleichzeitig für die" Weitere Funktloh herangezogen Kerbwirkungen ergeben; denn da an allen Flächen- werden, KühlfahnenträgeTkörper zu bilden, die eventeilen die Halbleiteranordnung zwischen ent- tüeli unmittelbar mit ihnen z. B. durch einen Gießsprechenden Druckkörpern liegt, findet eine anteilig prozeß aus einem Stück hergestellt werden können, praktisch gleichmäßige Verteilung des Gesamt- 40 Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand druckes über die Flächeneinheiten des Halbleiter- einiger Ausführungsbeispiele wird auf die Figuren körpers statt. Es ist dabei vorausgesetzt, daß der der Zeichnung Bezug genommen.
Halbleiterkörper mit seinen Elektroden entsprechend Fig. 1 bezeichnet eineh Schnitt eines Halbleitefmit planparallelen Oberflächen hergestellt worden körpers und F i g. 2 eine Draufsicht desselben,
ist, was sich aber durch eine entsprechende Bear- 45 In Fig. ί bezeichnet 1 einen Halbleiterkörper, beitühg leicht verwirklichen läßt. Um den Aufwand der an seinen gegenüberliegenden Oberflächen iüfür die Oberflächenbearbeitung herabzusetzen, kann nächst mit defi entsprechenden eihlegierten Elektrogegebenßrtfalis zwischen den Flächen der legierten den aus Metallen, die z.B., Wenn der Halbleiterbzw. Verlöteten Einheit der Halbleiteranordnung körper aus schwach p-leitendem Silizium besteht, und den Druckkörpern irgendeine geeignete duktile 50 aus Aluminium bzw. einer Göld-Ahtimön-Legiefühg metallische Zwischenlage, beispielsweise aus einer bestehen können, versehen ist. Mit dem Hälbleiter-Folie, benutzt Werden. Die Druckkörper können körper i sind durch den gleichen LegierurtgSpfozeß gegebenenfalls so ausgebildet sein, daß sie gleich- unmittelbar Hilfstfägferplättefi 2 bzw. 3 mechanisch zeitig an der Bildung eines geeigneten Gehäuses für verbunden worden, so daß also eine Einheit aus den die Anordnung beteiligt sind. 55 Teilen 1 bis 3 vorliegt, wenn die eihlegierten Elek-
Die Einheit aus Halbleiterkörper und Hilfsplatten ifoden art dem Halbleiterkörper nicht besonders in
kann zwischen Druckkörpern mit beliebigen von Betracht gezogen Werden. Diese Einheit 1 bis 4 ist
demjenigen des Halbleitefkörpers abweichenden zwischen zwei Druckkörpern 4 und 5 aus Kupfer
Ausdehnungskoeffizienten angeordnet Werden; die mittels der Schrauben 6, die durch entsprechende
Druckkörper können also aus eifiem geeigneten 60 Durchgangsöffnüngeh der beiden Druckkörper 4
Werkstoff guter elektrischer und thermischer Leit- und 5 hindürchgeführt sind, urtd der Müttern 7 eiff-
fähigkeit, wie z. B. aus Kupfer, bestehen. gespannt. Unter den Muttern ist jeweils auf dem
Der Aufbau der Halbleiteranordnung kann aber Schaft der Schraube 6 eine Feder S als Kräftspeicher
auch so gewählt werden, daß für die RärtdzOnen des vorgesehen. Ein oberer Teil des Schaftes der Schräü-
Halbleiterkörpers, abgesehen von den Druckkörpern, 65 ben 6 und der Kopf liegt jeweils in einer in die Ööh-
jeweils eine besondere Schutzhülle aufgebracht ist. rung des Drückkörpers eingesetzten isolierflülse ll.
Eine solche Schutzhülle läßt sich beispielsweise Diese z. B. aus Kupfer bestehenden Druckkörper 4
dadurch erreichert, daß über die Rartdzorten des und 5, welche derart massiv gestaltet sifid, daß sie
durch die Schraubenverspannung keine nachteilige Verformung erfahren können, so daß ihre Flächen gut an den Gegenflächen der Platten 2 und 3 anliegen, sind nach der zeichnerischen Darstellung an ihren Rändern unmittelbar mit entsprechenden Kühlflügeln 9 bzw. 10 versehen worden, so daß über diese Körper 4, 9 bzw. 5, 10 eine gute und wirksame Abführung der in dem Halbleiterkörper 1 anfallenden elektrischen Verlustwärme stattfindet.
Die Stellen für die Vornahme elektrischer An-Schlüsse an den Teilen 9 und 10 sind nicht besonders angedeutet. Sie können entweder an dem massiven Körper oder auch an einer oder mehrerer der Kühlfahnen vorgesehen werden.
Fig. 3 veranschaulicht, wie nach einer Weiterbildung einer solchen Einheit aus den Teilen 1 bis 3 zum Schutz des Halbleiterkörpers gegen Einflüsse der Umgebung, insbesondere der Atmosphäre, ein besonderer Ring 9 aus Kunstharz aufgebracht ist.
Nach F i g. 4 ist statt des Ringes 19 aus Kunstharz auf der Randzone des Halbleiterkörpers 1 und der beiden Hilfsträgerplatten 2 und 3 ein Schutzüberzug 12 aus einer Glasmasse benutzt, die so ausgewählt ist, daß sie dem thermischen Verhalten der Halbleiteranordnung 1 bis 3 angepaßt ist.
Bei der Ausführung nach F i g. 5 ist an jeder der beiden Hilfsträgerplatten 2 und 3 je ein Ende einer metallischen, federnden Fassung 13 bzw. 14 durch Lötung befestigt, während das andere Ende jedes dieser metallischen Körper mit einem Isolierkörper 15 verbunden ist. Der Körper 13 ist in diesem Falle ein wellrohrförmig gestalteter Körper 13 α, der an seinem unteren Ende über einen radial sich erstrekkenden Teil 13 b mit dem Körper 3 verbunden ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 ist ein zylindrischer Isolierkörper 16 aus Glas benutzt. Je ein Membrankörper 17 bzw. 18 ist einerseits mit der Trägerplatte 2 bzw. 3 der Anordnung und andererseits mit der Stirnseite des zylindrischen Isolierkörpers 16 durch Lötung verbunden worden, nachdem die Stirnseiten von 16 vorher entsprechend für die Vornahme einer Verlötung metallisiert worden waren.

Claims (13)

Patentansprüche: 45
1. Halbleiteranordnung, insbesondere Flächengleichrichter oder -transistor, mit einem einkristallinen Halbleiterelement, welches zwischen zwei Druckkörpern eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf den einander gegenüberliegenden Seiten je eine besondere Hilfsträgerplatte aufweist, deren Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials weitgehend benachbart liegt, und daß die von dem Halbleiterkörper abgewandte Endfläche jeder Hilfsträgerplatte gleitfähig an dem entsprechenden Druckkörper anliegt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsträgerplatte mit dem Halbleiterkörper durch Legierung oder Lötung verbunden ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkörper aus einem Werkstoff guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, bestehen.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Randzonen des Halbleiterkörpers eine Schutzhülle aufgebracht ist.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle aus Kunstharz besteht.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle aus einer in seiner Wärmeausdehnung dem Aufbau der Halbleiteranordnung angepaßten Glaswerkstoff besteht.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle aus einem hohlen Isolierkörper und mit ihm an seinen axialen Enden verschmolzenen oder verlöteten metallischen Fassungsteilen besteht, von denen jeder andererseits mit den metallischen, dem Halbleiterkörper im Systemaufbau benachbarten Körpern flüssigkeits- und gasdicht verbunden ist.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der metallischen Körper in der axialen Richtung der Anordnung federnd ausgebildet ist.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der federnde Körper membranartig ausgebildet ist.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der federnde Körper aus einem nahtlosen Wellrohr besteht.
11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkörper unmittelbar mit besonderen Kühlflügeln ausgestattet sind.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anpressen der Druckkörper an das Halbleiterelement Kraftspeicher enthalten.
13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in das gleitfähige System zwischen der Trägerplatte des Halbleiterkörpers und dem Druckkörper eine duktile metallische Zwischenlage, vorzugsweise in Form einer Folie, eingeordnet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 017 291,
648, 1042762;
schweizerische Patentschrift Nr. 338 903;
britische Patentschrift Nr. 785 461.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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