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Halbleiterbauelement Die vorliegende Erfindung hat einen verbesserten
Aufbau eines Halbleiterbauelementes zum Gegenstand.
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Für Halbleiterbauelemente kleinster Abmessungen, insbesondere für
Transistoren, war bereits der Aufbau eines das Halbleiterelement einschließenden
Gehäuses aus drei aneinanderliegenden ebenen Platten bekannt, wobei sowohl die mittlere
Platte als auch die beidseitig anschließenden äußeren Platten zur gemeinsamen Bildung
des Hohlraumes für die Aufnahme des Halbleiterbauelementes ausgespart und miteinander
vakuumdicht verbunden sind. Der Halbleiterkörper wird dabei von einem Absatz der
mittleren Platte getragen; zwischen seinem Rand und der mittleren sowie mindestens
einer äußeren Platte wird ein Lot benutzt und von einer oder beiden Elektrodenmaterialkörpern
des am Halbleiterkörper erzeugten Emitterbereichs und des Kollektorbereichs ein
elektrischer Anschlußdraht durch eine elektrisch isolierte Durchführung in den äußeren
Platten herausgeführt oder an Stelle eines solchen Anschlußdrahtes ein metallisches
Zwischenstück mit der entsprechenden äußeren ebenen Platte verbunden, wenn diese
zugleich aus Metall besteht und als äußerer elektrischer Anschluß des Halbleiterelementes
benutzt wird.
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Ferner war ein Aufbau einer Halbleiteranordnung bekannt, unter Benutzung
zweier Gehäuseteile in Form von flachen Pfannen bzw. von Tellern mit vertieften
Teilen, die über ihre einander gegenüberliegenden Ränder dicht miteinander verschweißt
sind; hierbei ist mindestens am Boden eines Gehäuseteiles eine isolierte Durchführung
zum Herausführen eines elektrischen Anschlußleiters von dem Halbleiterkörper vorgesehen,
- ferner ist der Halbleiterkörper mindestens von dem dieser Durchführung gegenüberliegenden
Gehäuseteil getragen, wobei der Halbleiterkörper auf einer besonderen Trägerplatte
mittels eines Legierungsprozesses befestigt ist, die ihrerseits an über den Umfang
des Halbleiterkörpers heraustretenden Flächenteilen mit dem einen bzw. den beiden
Gehäuseteilen, insbesondere durch eine elektrische Widerstandsverschweißung, verschweißt
ist.
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Ziel der Erfindung ist, den Gehäusekörper unmittelbar als ein wirksames
Element zur Abführung der an dem Halbleiterelement betriebsmäßig anfallenden Jouleschen
Wärme zu benutzen, an welchem das oder die zu kühlenden Halbleiterelemente unmittelbar
zur Anlage gebracht werden können, und wobei auch die elektrisch zu isolierenden
Teile unmittelbar mit diesem Gehäuseteil zusammengebaut werden können, bevor der
gasdichte Abschluß dieses Gehäuses dann in einfacher und wirksamer Weise durch eine
elektrische Widerstandsverschweißung zwischen Körpern vorgenommen werden kann, die
für einen solchen Verschweißungsprozeß geeignet sind. Dabei ergibt sich der Vorzug,
daß durch die Anwendung der Widerstandsverschweißung nur relativ kurzzeitig Wärme
auf das Gehäuse übertragen wird und somit keine nachteilige Beeinflussung des Halbleiterelementes
durch eine zu ihm durch Leitung während des Schweißprozesses gelangende Wärme in
Verbindung mit einer entsprechenden Temperatursteigerung am Sitz des Halbleiterelementes
zur Entstehung gelangen kann. .
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Zur Lösung der vorgezeichneten Aufgabe an einem Halbleiterbauelement
wird erfindungsgemäß das Halbleiterelement mittels eines Kraftspeichers über einen
Kontaktdruckkörper gegen eine Stirnfläche eines als elektrischer Pol und Kühlkörper
benutzten Ringkörpers aus gut wärmeleitendem, metallischen Werkstoff gepreßt, der
Druckkörper über einen nachgiebigen Zwischenteil mit einem starren Anschlußbolzen
verbunden, der durch einen Kanal des Ringkörpers und gasdicht durch die innere Hülse
einer elektrisch isolierenden Durchführung geführt ist, die mit der metallischen
äußeren Fassung mindestens an der entgegengesetzten Stirnseite des Ringkörpers gasdicht
befestigt ist, und als Abschluß des Gehäuseraumes und zum Aufladen des Kraftspeichers
ist ein Gehäuseteil aus einem Material vorgesehen, das unmittelbar oder über einen
Zwischenkörper mit dem Ringkörperteil durch einen elektrischen Widerstandsverschweißungsprozeß
verbunden werden kann.
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Der Ringkörper kann in diesem Sinne z. B. aus Kupfer oder aus versilbertem
Kupfer bestehen. Beim gasdichten Abschluß des Gehäuses wird beim Aufladen
des
Kraftspeichers der gegenseitige Anpreßdruck an den in dem elektrischen Stromlauf
über die Elemente des Halbleiterbauelementes liegenden elektrischen Kontaktstellen
erzeugt.
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Bei der vorliegenden Anordnung kann ohne weiteres als elektrisch isolierende
Durchführung eine Druckglasdurchführung benutzt werden, da diese thermisch bei dem
Fertigungsprozeß der Anordnung nicht nachteilig beeinflußt werden kann.
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Damit eine wirksame Verschweißung zwischen dem abschließenden Teil
und dem anderen Gehäuseteil von in ihrer Gasdichtheit großer Güte auf einfache Weise
vorgenommen werden kann, wird zweckmäßig mit dem metallischen Ringkörper bzw. Gehäuseteil,
der als Kühlkörper benutzt ist, ein Zwischenkörper aus einem Werkstoff durch Hartlötung
verbunden, der aus gut verschweißungsfähigem Werkstoff, also vorzugsweise aus Stahl,
besteht. Dieser Zwischenkörper kann ebenfalls ein Ringkörper sein, der dann mit
seiner einen Stirnseite an dem als Kühlkörper benutzten Gehäuseteil befestigt ist,
und auf dessen anderer Stirnseite dann z. B. ein Körper von Plattenform oder kappenförmiger
Gestalt durch elektrische Widerstandsverschweißung aufgeschweißt werden kann.
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Bei der. Montage der Anordnung ist es zweckmäßig, an dem als Gehäusekörper
benutzten Ringkörper für das Halbleiterelement oder, wenn an der Anordnung mehrere
Halbleiterelemente zu einer Einheit vereinigt sind, für jedes dieser Halbleiterelemente
je einen entsprechend vorbereiteten Sitz vorzusehen, damit die Montage sich auf
einfache und schnelle Weise durchführen läßt.
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Sowohl zwischen dem als Kühlkörper benutzten ringförmigen Gehäuseteil
oder dem an diesem vorbereiteten Sitz als auch zwischen dem Druckkontaktkörper,
der auf den anderen Pol des eingesetzten Halbleiterelementes wirkt, wird eine gegenseitige
Druckkontaktanlage benutzt. Diese hat bekanntermaßen den Vorzug, daß auch bei einem
abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten derjenigen Körper, die an der
Druckkontaktstelle zueinander in Beziehung treten, an dieser Kontaktfläche keine
thermischen Schubspannungen zur Entstehung gelangen können, die zu einer nachteiligen
Beanspruchung sowohl des Halbleiterelementes als auch der elektrisch und thermischen
Übergangsstellen führen können. Zur Erzeugung des gegenseitigen Anpreßdruckes zwischen
den elektrischen Kontaktstellen und denjenigen Stellen, welche für einen Wärmeübergang
erforderlich sind, wird ein entsprechender Kraftspeicher vorgesehen. In dem Aufbausystem
zwischen dem zweiten Pol des Halbleiterelementes und derjenigen Fläche, an welcher
der Kraftspeicher seine mittelbare oder unmittelbare Abstützung in dem Aufbausystem
erfährt, muß naturgemäß eine elektrische Zwischenisolation vorgesehen werden. Eine
solche Zwischenisolation kann beispielsweise aus Glimmer oder einem anderen geeigneten
isolierenden Werkstoff bestehen.
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Wie bereits angeführt, liegt es im Rahmen der Erfindung, nicht nur
solche Einheiten zu schaffen, an welchen ein einziges Halbleiterelement vorhanden
ist, sondern auch solche, bei welcher an der Einheit mehrere Halbleiterelemente
gemeinsam vereinigt sind. Diese an einer solchen Einheit vereinigten Elemente können
beispielsweise zusammen eine elektrische Parallelschaltung bilden. Den einen Pol
der Halbleiterelemente bildet dann der ringförmige Gehäuseteil, welcher gleichzeitig
als Kühlkörper und elektrischer Anschlußpol der Halbleiterelemente benutzt wird.
Der andere Anschlußpol der Halbleiterelemente kann durch einen starren Bolzen gebildet
werden, der durch die isolierte Durchführung der Einheit hindurchgeführt worden
ist und an seinem inneren Ende mit den Druckkontaktkörpern verbunden ist, welche
gegen den anderen Pol der Halbleiterelemente angepreßt werden. In dem jeweiligen
Verbindungsweg zwischen diesen Druckkontaktkörpern und dem starren Anschlußbolzen
muß naturgemäß jeweils ein entsprechend nachgiebiger Teil vorgesehen sein, damit
keine thermischen nachteiligen Beanspruchungen zur Entstehung gelangen können.
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Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Halbleiterelemente
nicht an ihren beiden Polen unmittelbar zu einem elektrischen Anschluß an der Einheit
zusammenzufassen. So ist es vielmehr auch möglich, für jedes an der Einheit vorhandene
Halbleiterelement je einen entsprechenden starren Bolzen als Anschlußleiter durch
den Isolierkörper der elektrisch isolierenden Durchführung hindurchzuführen. So
kann beispielsweise eine entsprechende Anzahl solcher starrer Anschlußbolzen in
den Ecken auf einer Kreislinie bzw. in den Ecken eines vorzugsweise regelmäßigen
Vieleckes in dem Isolierkörper angeordnet sein. Ist eine solche Mehrzahl von Halbleiterelementen
an der Einheit vereinigt, so kann die Zahl der aufzuwendenden Teile auch hinsichtlich
des dabei jeweils zu benutzenden Kraftspeichers und der isolierenden Zwischenplatte
in dem Drucksystem vereinfacht werden, indem für alle Halbleiterelemente oder Gruppen
derselben nur jeweils ein gemeinsamer Kraftspeicher und eine entsprechende isolierende
Zwischenlage vorgesehen wird.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
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In F i g. 1 bezeichnet 1 einen ringförmigen Gehäuseteil, der aus gut
wärmeleitendem Werkstoff, wie z. B. aus Kupfer besteht und an seiner Oberfläche
gegebenenfalls versilbert sein kann. Dieser Körper 1
weist an seinem oberen
Teil eine Eindrehung auf, so daß sich ein Absatz 2 ergibt. Auf diesen Absatz 2 ist
als elektrisch isolierende Durchführung eine Druckglasdurchführung 3 eingesetzt,
die aus dem äußeren Druckring 4, dem Glaskörper 5 und dem inneren metallischen Hülsenteil
6 besteht. Der Ringkörper 1 ist unterhalb desjenigen Teiles, wo der Isolierkörper
5 liegt, mit einer Aussparung 7 versehen. Die gegenseitige Verbindung zwischen dem
Gehäuseteil 1 und dem Druckring 4 kann z. B. durch Hartlötung erfolgen. Der Ringkörper
1 weist einen zentralen Kanal 8 auf. Durch diesen und durch die innere metallische,
für Hartlötung geeignete Hülse 6 der elektrischen, isolierenden Durchführung 3 ist
der starre Anschlußbolzen 9 hindurchgeführt. Auf der unteren Stirnfläche des Ringes
1 ist ein pfannenförmiger Körper 10, z. B. aus Silber, als Sitz für das Einsetzen
des Halbleiterelementes 11 vorgesehen. Dieses Halbleiterelement kann z. B.
eine Diode auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Silizium sein, welcher gegebenenfalls
mindestens an einer seiner beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen noch mit
einer ihn versteifenden Hilfsträgerplatte, z. B. aus Molybdän, Wolfram oder Tantal
durch
Anlegieren bzw. Anlöten versehen worden sein kann. Das in
seinen Sitz an dem Halbleiterkörper 11 eingeführte Halbleiterelement wird an diesen
durch einen Druckkontaktkörper 12 gepreßt. Dieser Druckkontaktkörperweist einen
Teil größerer Dicke 12 a, über welchen er sich gegen das Halbleiterelement 11 legt,
und einen Teil geringerer Dicke 12 b, der dann an dem starren Anschlußbolzen 9,
z. B. durch Hartlötung oder bereits durch einen gegenseitigen mechanischen Eingriff
mit diesem elektrisch und mechanisch verbunden ist, auf. Aui der dem Halbleiterelement
gegenüberliegenden Fläche des Teiles 12 a von 12 liegt eine Isolierscheibe 13, die
z. B. aus Glimmer bestehen kann. Auf diese Glimmerscheibe ist der kreisscheibenförmige
Kraftspeicher 14 aufgelegt, der nach der Darstellung eine wellige Querschnittsform
haben kann. Mit dem Ringkörper 1 ist zunächst ein Zwischenkörper 15 aus gut verschweißungsfähigem
Werkstoff durch Hartlötung verbunden. Mit der anderen Stirnseite dieses Körpers
15 wird die ebenfalls aus gut verschweißungsfähigem Werkstoff, also Stahl, bestehende
Deckplatte 16 durch elektrische Widerstandsverschweißung verbunden, nachdem alle
bereits vorher geschilderten Teile in der angegebenen Weise zusammengebaut worden
sind. Die Montage der Teile erfolgt dabei vorzugsweise in einer Stellung, in welcher
die in der Darstellung untere Fläche von 1 oben liegt, so daß also die verschiedenen
Teile in die dann vorhandene Becherform eingesetzt werden können, soweit diese Teile
sich oberhalb dieser Fläche befinden und von dieser aus mit den anderen zusammengeführt
werden können.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß den einander entsprechenden Rissen
nach den F i g. 2 und 3 sind diejenigen Teile, welche in gleichartiger Weise bereits
in F i g. 1 vorhanden waren, wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden,
wobei die F i g. 3 ein Schnitt nach der Linie III-III der F i g. 2 ist.
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Nach dieser neuen Lösung ist an Stelle des Isolierkörpers bzw. der
Isolierscheibe 13 ein Keramikkörper 17 benutzt, der in F i g. 4 nochmals in Einzeldarstellung
in der Ansicht von links wiedergegeben worden ist. Er ist an der Unterseite mit
einem in der Durchmesserrichtung von 17 verlaufenden Kanal 18
versehen. zwischen
dessen Seitenwänden die als Kraftspeicher des Systems benutzte Blattfeder 19 mit
ihren Längsseiten geführt ist, die sich oben gegen den Boden dieses Kanals abstützt.
Auf seiner oberen Seite ist der Keramikkörper 17 ebenfalls mit einem, und zwar mit
20 bezeichneten Kanal versehen, in welchem der Kontaktkörper 12 a von
12 liegt. Das Halbleiterelement 11 findet seinen Sitz an der oberen Seite
auf einem Blechkörper 21, z. B. aus Silber, der an seiner dem Halbleiterelement
zugewandten, also unteren Fläche vier rippenartige Erhebungen 22 bis 25 in solcher
Lage und von solcher Form besitzt, daß sie eine Fassund für das Halbleiterelement
11
bilden. Der Blechkörper 21 weist außerdem eine bogenförmige Aussparung
26 auf, mit welcher er mit entsprechendem Isolationsabstand den starren Anschlußbolzen
9 umgreift. Mit seinen sehnenartig verlaufenden Kanten 27, 28 greift er entweder
in Schlitze des Isolierkörpers 17 ein, oder er legt sich gegen Anschläge 29,
30 an diesen. Diese sind dadurch gewonnen, daß die Höhe der Wände des in
Durchmesserrichtung verlaufenden Kanals 20 an der oberen Fläche und dem linken
Teil von 17 nicht so hoch, sondern niedriger als an dem restlichen rechten Teil
der Länge gewählt sind, so daß sie je einen entsprechenden Anschlag 29 bzw. 30 bilden.
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Wird nach F i g. 5 der Durchgangskanal 31 durch den dem Körper 1 nach
den F i g. 1 und 2 entsprechenden Ringkörper 32 für einen abgekröpften starren Kontakt
36 aber exzentrisch angeordnet, so gelingt es, mindestens ein großflächigeres Halbleiterelement
33 in dem gleichen Gehäuse bei geringerer radialer Ausdehnung desselben unterzubringen.
Diese Anordnung zeigt auch wieder einen Keramikkörper 34 nach Art von 17 gemäß F
i g. 2, auf den der Kraftspeicher wirkt, der in diesem Falle erfindungsgemäß unmittelbar
mit der aufgeschweißten Bodenfläche 35 aus Stahl als eine Einheit hergestellt ist,
indem diese Platte einen gegenüber dem Druckkörper 12 a tiefgezogenen federnden
Teil 35 a aufweist.
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Der jeweilige Ringkörper kann, wie die F i g. 2 und 5 zeigen, an seiner
Außenmantelfläche mit Längsrippen 37 bzw. einer Rändelung versehen sein, mit welcher
er in eine entsprechende, seinem Umfang angepaßte Aussparung eines weiteren Trägers
mit Preßsitz eingeführt werden kann. Diese Mantelfläche oder die freie Stirnfläche
von 35 oder 4 könnte jedoch auch mit einem Lötiiberzug versehen sein, damit das
Halbleiterelement an dem weiteren Träger durch Lötung mittels eines Lotes bei einer
relativ geringen Temperatur befestigt werden kann.