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Halbleiteranordnung mit einem das Halbleiterelement gasdicht einschließenden
becherförmigen Gehäuse und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht
sich auf einen verbesserten Aufbau einer Halbleiteranordnung mit einem das Halbleiterelement
gasdicht einschließenden becherförmigen Gehäuse, auf dessen Boden das Halbleiterelement
befestigt ist, und dessen unterer, an den Boden angrenzender Wandteil derart gestaltet
ist, daß das Gehäuse im Preßsitz auf einem weiteren Träger befestigt werden kann,
und mit dessen oberen Wandteil der äußere Metallring einer elektrisch isolierenden
Durchführung verbunden ist, sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Bei einer solchen Halbleiteranordnung wird vielfach der deckelförmige
Abschluß durch eine isolierende Durchführung, z. B. eine Druckglasdurchführung,
gebildet, deren äußerer Metallring bzw. Metalldruckring mit dem Rand der Becherform
verlötet ist. Durch den zentralen Hülsenteil der elektrisch isolierenden Durchführung
ist dabei vielfach ein mit dem zweiten Pol des eingeschlossenen Halbleiterelementes
elektrisch verbundener Anschlußleiter hindurchgeführt und mit diesem Hülsenteil
gasdicht verbunden.
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Bei einer solchen Anordnung ist es wichtig, daß an ihr ein einwandfreier
gasdichter Einschluß des Halbleiterelementes erzeugt, jedoch auch während des betriebsmäßigen
Einsatzes aufrechterhalten werden kann und nicht durch thermische Dehnungen oder
mechanische Beanspruchungen der an der gegenseitigen Verlötungsstelle beteiligten
Anteile des Gehäuses gefährdet werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe bei einer Halbleiteranordnung der eingangs
angeführten Art schließt erfindungsgemäß der untere Wandteil nach oben mit einer
mit seiner Projektion in der Richtung der Gehäuselängsachse im wesentlichen zusammenfallenden
Stirnfläche ab, auf welcher der äußere massive Ring der isolierenden Durchführung
aufliegt, der mit dem oberen Teil der Becherwand, der eine wesentlich geringere
Dicke als der untere Teil aufweist, nur über eine axiale Teilzone der Gesamthöhe
der einander gegenüberliegenden Flächen gasdicht verlötet ist.
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Es ist also benachbart der axial verlöteten Teilzone von dem oberen
Wand- bzw. Mantelteil geringeren Querschnitts bzw. geringerer Wanddicke ein Anteil
vorhanden, der sich bei thermischen Dehnungen, die an der Anordnung auftreten, für
eine gegenüber der äußeren Mantelfläche des äußeren Metallringes der elektrisch
isolierenden Durchführung sowohl in radialer, axialer als auch in der Umfangsrichtung
verschieben kann, und ein über diesen äußeren Ring der elektrisch isolierenden Durchführung
für das Einpressen der Halbleiteranordnung in ihren Sitz an einem weiteren Träger
ausgeübter Druck kann sich ebenfalls nicht nachteilig auf jene Lötverbindungsstelle
auswirken, da dieser Druck unmittelbar über die eine axiale Stirnfläche dieses Druckringes
an dem Absatz des becherförmigen Gehäuseteiles bzw. der den unteren Wandteil nach
oben abschließenden Fläche von diesem Gehäuseteil übernommen wird.
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Für eine einfache Herstellung einer solchen Lötverbindungsstelle,
die sich nur über einen Teil der axial einander benachbart liegender Teile der inneren
Mantelfläche des becherförmigen Fassungskörpers und der äußeren Mantelfläche des
äußeren Metallteiles der isolierten Durchführung erstreckt, wird zweckmäßig mindestens
einer der beiden einander gegenüberliegenden Körper mit einer entsprechenden Aussparung
versehen, in welche ein entsprechender flacher Lotring eingesetzt werden kann, der
dann bei entsprechender Erwärmung der Anordnung in den schmelzflüssigen Zustand
übergeht und nach seinem Erkalten eine einwandfreie, gasdichte, mechanische Lötverbindung
zwischen den beiden Körpern - äußerer Metallkörper der isolierten Durchführung und
innere Mantelfläche des Randes des Fassungskörpers - herstellt.
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Damit das Lot während des Lötprozesses nicht zwischen diejenigen Teile
der beiden an anderer Stelle miteinander zu verbindenden Körper hineingelangt und
dort eine entsprechende mechanische Verbindung erzeugt, können die entsprechenden
Oberflächenteile, zwischen denen keine Lötverbindung zur Entstehung gelangen soll,
mit einem entsprechenden Schutzüberzug bzw. Oberflächenschutz, z. B. einem Lacküberzug,
versehen werden, so daß
also keine Benetzung dieser Flächen durch
das Lot stattfinden kann.
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Bekannt ist ein Halbleiterbauelement mit einem Gehäuseteil in Form
einer becherförmigen Fassung, an deren innerem Boden das Halbleiterelement befestigt
ist, und die diesem gegenüber außen mit einem ausladenden Bolzen zum Einschrauben
des Halbleiterbauelementes in einem weiteren Träger sowie an ihrem freien Rand mit
einem abgesetzten Teil versehen ist, welcher mit dem äußeren Schenkel des einseitig
auf die Längsachse bezogenen U-förmigen Querschnitts des äußeren Metallringes der
elektrisch isolierenden Durchführung verlötet ist, während der innere Schenkel des
U-förmigen Querschnitts mit dem Isolierkörper der Durchführung verbunden ist. Mit
dem inneren metallischen Körper der elektrisch isolierenden Durchführung ist eine
metallische Fassung verbunden, die sowohl in Richtung auf den Gehäuseinnenraum als
auch nach außen je eine Aussparung aufweist, um einerseits einen vom zweiten Pol
des eingeschlossenen Halbleiterelementes ausgehenden biegsamen Anschlußleiter als
auch andererseits in die nach außen offene Aussparung einen Anschlußleiter
für die Einschaltung des Halbleiterbauelementes in einen äußeren Stromkreis
einführen zu können.
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Bei einer anderen bekannten Halbleiteranordnung mit einem becherförmigen
Gehäuse ist der Rand der Becherfonm abgesetzt für das Aufsetzen eines flanschartigen,
radial ausladenden Teiles des äußeren Metallringes der elektrisch isolierenden Durchführung,
welcher, einseitig auf die Längsachse der Durchführung bezogen, einen L-förmigen
Querschnitt aufweist, so daß der flanschartige Teil durch einen radial liegenden
Schenkel dieser L-Form gebildet wird, während der andere Schenkel dieser Querschnittsform
parallel zur Achsrichtung der Durchführung verläuft und sich von der Öffnung der
Becherform aus in axialer Richtung nach außen er-streckt. Das Halbleiterbauelement
wird in eine in einem Kühlfahnenblech vorgesehene becher- bzw. napfartige Vertiefung
eingesetzt, die wiederum mit ihrem äußeren Teil in die Becherform bzw. Napfform
von geringerer Tiefe einer benachbarten Kühlfahne eingesetzt werden kann, wobei
die Fassung des Halbleiterbauelementes und die ineinandergesetzten becher-
bzw. napfartigen Anteile der Kühlfahnen miteinander verlötet sind.
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Bei einem anderen bekannten Halbleiterbauelement mit Nickelüberzügen
an den Stirnflächen des Halbleiterkörpers ist die eine Stirnfläche in einer Vertiefung
im Kopf eines aus Stahl bestehenden Schraubenbolzens mit einer Kupferschicht und
die andere Stirnfläche mit einem Kupferleiter verlötet; dieser ist jenseits
eines wendelförmig gestalteten Anteils durch eine elektrisch isolierende Durchführung
im Bodenteil eines glocken- bzw. becherartigen Gehäuseteiles hindurchgeführt und
in dem inneren Metallkörper der elektrisch isolierenden Durchführung durch einen
Klemm- und Lötprozeß befestigt, wobei ein vom freien Rand des becherförmigen bzw.
glockenartigen Gehäuseteiles ausladender Flanschteil mit einer äußeren Ringzone
der dem Schaftteil des Schraubenbolzens abgewandten Stirnfläche verlötet oder ver-schweißt
ist.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
wird nunmehr auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen. In dieser bezeichnet
1 einen metallischen Becher aus Kupfer; an dessen Bodenfläche ist das Halbleiterelement
2 durch eine Lötverbindung befestigt. Von der oberen Fläche des Halbleiterkörpers
2 bzw. dem zweiten Pol des Halbleiterelementes aus erstreckt sich ein elektrischer
Anschlußleiter 3. Dieser ist an seinem dem Halbleiterelement benachbarten
Teil, der innerhalb des Kammerraumes der Halbleiteranordnung liegt, flachgepreßt
und weist eine S-Form auf, so daß er bei thermischer Beanspruchung der Anordnung
nachgiebig ist. Im oberen Teil des Kupferbechers 1 ist auf einem Absatz
4 desselben der z. B. aus Eisen bzw. Stahl bestehende äußere massive Metallring
5 der isolierenden Durchführung 6 aufgesetzt, deren Isolierkörper 7 z. B. bei einer
sogenannten Druckglasdurchführung aus Glas bestehen kann. Diese isolierende Durchführung
weist einen inneren hülsenartigen Metallteil 8 auf. Durch diesen Metallteil
8 ist der elektrische Anschlußleiter 3 mit seinem zylindrischen Teil hindurchgeführt
und dann über die Lotschicht 9 mit diesem verlötet.
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Bilden die Teile 5 bis 8 zusammen eine sogenannte Druckglasdurchführung,
so hat diese die bekannte Eigenart, daß durch die entsprechende Wahl der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Körper 5, 7 und 8 und die Bemessung
dieser Körper beim Erkalten des Glasschmelzflusses von 7 der entstehende Glaskörper
derart unter Druck gesetzt wird, daß während der normalen betriebsmäßigen thermischen
Beanspruchung der Anordnung niemals irgendwelche Zugspannnungen in dem Glaskörper
auftreten können, die sonst bekanntermaßen in unzulässiger Weise zu einer Rissebildung
in dem Glaskörper führen würden und damit der dauernde gesicherte gasdichte Abschluß
des Raumes, in welchem das Halbleiterelement untergebracht ist, nicht mehr gewährleistet
wäre.
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Erfindungsgemäß ist der äußere massive Ring 5 der isolierenden Durchführung
nicht über seine gesamte äußere Mantelfläche mit der gegenüberliegenden inneren
Mantelfläche des Teiles 10 des becherförmigen Gehäuses verlötet, sondern
nur über einen Teil der axialen Länge beider Körper. Um das auf einfache Weise zu
erreichen, ist der Metallring 5 der Druckglasdurchführung an seiner äußeren Mantelfläche
mit einem oberen Teil 11 von geringerem Durchmesser versehen, als ihn der anschließende
untere Teil 12 dieses Metallringes 5 aufweist. Auf diese Weise entsteht
zwischen dem Teil 11 von 5 und der inneren Mantelfläche des Teiles
10 des Bechers 1 ein Spalt, in welchen vor der gegenseitigen Verlötung
der beiden Körper 5 und 10 bzw. 1 ein Ring 13 aus einem
geeigneten Lot, z. B. aus einer Zinn-Blei-Legierung, eingesetzt werden kann. Zweckmäßig
können die einander gegenüberliegenden Mantelflächen von 5 an der Stelle 12 und
der entsprechende Flächenteil von 10 vorher mit einem Lack bestrichen worden
sein, der auf jeden Fall eine Benetzung dieser Flächen durch eventuell zwischen
sie hineingelangendes Lot von 13 verhindert.
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In der Zeichnung ist innerhalb des becherförmigen Gehäuses noch ein
zylinderförmiger Körper 14, z. B. aus keramischem Material, vorgesehen, durch
den es erleichtert wird, das Halbleiterelement in seiner Lage an der Bodenfläche
des becherförmigen Gehäuses 1 eindeutig zu orientieren, so daß seine Verlötung in
vorbestimmter Lage an der Grundfläche der Becherform stattfindet. Das ist wichtig,
damit der Anschluß-
Leiter 3 in das hülsenartige innere Metallteil
8 der isolierenden Durchführung 6 eingeführt werden kann. Der Isolierkörper 14 ist
zweckmäßig so bemessen, daß er ein gewisses Spiel gegenüber der inneren Mantelfläche
der Becherform 1 besitzt, damit auf diese Weise den verschiedenen thermischen Dehnungen
Rechnung getragen ist und keine Brucherscheinungen zur Entstehung gelangen können.
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An seiner äußeren Mantelfläche ist das becherförmige Gehäuse an einem
zylinderförmigen Teil mit einer Riffelung 15 versehen. Durch diese ist es möglich,
die fertige Halbleiteranordnung in eine vorgearbeitete Bohrung irgendeines Gerüstes
oder eines anderen Montageteiles mit einem Preßsitz einzuführen, so daß also die
ganze Befestigung für die Montage der Halbleiteranordnung lediglich in dem Einpressen
der Halbleiteranordnung mit ihrem Teil 15 in die genannte Aussparung besteht. Der
Absatz 16 an der äußeren Mantelfläche des Bechers 1 wirkt bei dem Einpressen der
Halbleiteranordnung in eine solche Aussparung als ein entsprechender Anschlag.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann ein solcher Ring 14 gemäß
dem Ausführungsbeispiel auch mit relativ geringer Höhe bemessen werden, so daß das
Halbleiterelement auch nach seiner Anordnung innerhalb desselben noch leicht in
Augenschein genommen werden kann, wenn er am Boden des Bechers 1 festgelegt
wird. Das kann z. B. mittels einer Lötverbindung erfolgen bei entsprechender Vormetallisierung
der zu verlötenden Fläche von 14. Hierzu kann auf dem Boden 1 gegebenenfalls eine
durchgehende Lotscheibe angeordnet sein, um gleichzeitig das Halbleiterelement und
den Zentrierring mit dem Boden des Gehäuses 1 zu verlöten. Das Verlöten zwischen
3 und 8 kann erfolgen, indem gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung
in den oben etwas erweiterten, pfannenartig wirkenden Teil von 8 ein Ring aus Lotwerkstoff
eingelegt wird, der bei Erwärmung mit seinem Schmelzflüssigwerden in den Spalt zwischen
3 und 8 hineingezogen wird.
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Die Darstellung in der Zeichnung ist in einem zur Veranschaulichung
gewählten Maßstab wiedergegeben.