DE1204751B - Halbleiterbauelement mit einem scheibenfoermigen Gehaeuse und Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. α.:

HOIl

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1204751

Aktenzeichen: S 70740 VIII c/21 g

Anmeldetag: 30. September 1960

Auslegetag: 11. November 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau eines Halbleiterbauelementes mit einem scheibenförmigen, aus einem isolierenden Rahmen und aus zwei an ihren Rändern dicht mit diesem verbundenen metallischen Deckplatten bestehenden Gehäuse eingeschlossenen Halbleiterelement.

Das Halbleiterelement kann dabei ein Flächengleichrichter, Flächentransistor oder ein Halbleiters,tromtor, also · eine nach Art eines elektrischen Schalters steuerbare Anordnung sein, wobei die dotierten Bereiche im Halbleiterkörper nach dem Legierungsprinzip und/oder nach dem Diffusionsprinzip oder durch Aufwachsen und Einlegieren erzeugt sein können.

Es ist bei einem Halbleiterbauelement die Unterbringung des Halbleiterkörpers mit zwei oder mehreren Kontaktelektroden in einem luftdichten und feuchtigkeitssicheren Gehäuse bekannt. Dieses besteht aus elektrisch leitenden, durch nichtleitende Teile verbundenen Teilen, wobei jede Elektrode elektrisch und mechanisch mit einem leitenden Teil des Gehäuses verbunden ist bei einer solchen Gestaltung dieses Gehäuses, daß es bei elastischen Deformationen Relativbewegungen zwischen denjenigen seiner Teile zuläßt, welche mechanisch und elektrisch mit den Elektroden verbunden sind. Ganz abgesehen von der Tatsache, daß das System zufolge der Nachgiebigkeit des Gehäuse, wenn es sich als Ergebnis einer ansteigenden Temperatur ausdehnt, nicht übermäßigen Druckspannungen ausgesetzt ist, wird auch eine verbesserte Kühlung erreicht, da das Gehäuse eine wirksame Kühlfläche bildet. Zusätzlich hierzu kann das Gehäuse auch noch mit einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit vollständig oder anteilig, insbesondere für eine Ver-' dampfungskühlung, gefüllt werden.

Bei einem anderen bekannten Halbleiterbauelement ist das Halbleiterelement zwischen zwei stabförmigen, gleichachsig angeordneten, für Flüssigkeitskühlulng eingerichteten, entsprechend hohlen Anschlußelektrodenkörpern eingesetzt und mit der Stirnfläche ernes der Elektrodenkörper verlötet. Auf der Mantelfläche jedes dieser stabförmigen Elektrodenkörper ist je ein Scheibenkörper mit radial ausladendem Flansch vorgesehen, so daß die beiden Anschlußelektroden über Schraubenbolzen in axialer Richtung zusammengespannt werden können. Um die Enden der stabförmigen Elektroden und diese Spannvorrichtung herum ist ein hülsenförmiger Gehäuseteil mit anteiligem axialem elektrischem Isolierstück vorgesehen; dieser ist an dem einen Ende mit dem einen der Flanschkörper und mit

Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Gehäuse und Verfahren zur Herstellung eines
solchen Bauelementes

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Karl Heinz Geyer, München

dem anderen Ende über einen gewellten Membrankörper mit der äußeren Mantelfläche des zweiten stabförmigen Anschlußelektrodenkörpers verbunden.

Bei einer anderen bekannten Halbleiterbauelementeausführung ist an der inneren Stirnfläche eines außen mit einem Befestigungsschraubenbolzen versehenen Grundplattenkörpers das Halbleiterelement mit seiner einen Oberfläche angelötet und

as an seiner gegenüberliegenden Oberfläche mit einer pilzförmigen Anschlußelektrode an der äußeren Pilzdachform verlötet. Hierbei ist an der inneren Pilzdachform ein Ringmembrankörper mit seinem inneren Rand angelötet, der mit seinem Außenrand an der Stirnfläche eines Isolierringes festgelötet ist, der wiederum mit seiner anderen Stirnfläche an dem genannten Grundplattenteil, das Halbleiterelement umschließend, angelötet ist.

Bekannt ist auch ein Halbleiterbauelement mit gleichachsig liegenden, zwischen ihren Stirnflächen das an ihnen angelötete Halbleiterelement einschließenden Anschlußelektrodenkörpern. Diese haben einander umschließende, zur Führung einer Kühlflüssigkeit dienende Kanäle, die im Inneren jedes Anschlußelektrodenkörpers benachbart deren an dem Halbleiterelement anliegenden Stirnfläche miteinander für den Flüssigkeitsdurchlauf verbunden sind, und von denen der äußere der Kanäle zu einem seitlichen Rohranschlußstutzen führt, der über einen Isolierschlauch mit der Nachbarelektrode verbunden ist. Benachbart den Enden der Rohranschlußstutzen ist auf der Mantelfläche der Anschlußelektroden ein Hülsenkörper, bestehend aus einem axialen Isolieranteil und mit an jeder seiner Stirnseiten verbundenen metallischen axialen Hülsenteilen von, einseitig auf die Achse bezogen, U-förmigem Querschnitt befestigt, die mit dem einen

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Schenkel in den Ioslierkörper eingesetzt und mit dem anderen Schenkel an der Außenseite des Elektrodenkörpers hart angelötet sind.

Weiterhin ist eine elektrische Halbleitervorrichtung mit auf einer metallischen Platte befestigtem und von einem auf der metallischen Platte befestigten glockenförmigen Gehäuse umhüllten Halbleiterkörper bekannt, wobei die metallische, mit einer elektrisch isolierenden Durchführung für einen stabförmigen elektrischen Anschlußleiter versehenen Glockenform mit ihrem freien Rand in einer Rille an der Grundplatte mittels eines Lotes befestigt ist. Bei einem weiteren bekannten Halbleiterbauelement mit becherförmigem metallischen Gehäuse ist das Halbleiterelement in einer Vertiefung auf dem Boden des einen becherförmigen Gehäuseteils angelötet, und gegen seine Elektrode legt sich eine federnde Zuleitung, welche gegen eine innere Randfläche des Gehäusedeckelteiles gespannt ist. Dieser ist durch Umbördeln seines Randes unter Zwischenlage von elektrisch isolierenden Dichtungsringen um den äußeren Rand des becherförmigen Gehäuseteiles an diesem festgespannt bzw. befestigt, oder der Deckelteil weist einen nach innen in Richtung auf den Gehäuseraum tiefgezogenen Teil auf, der sich an der Elektrode des Halbleiterelementes abstützt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterbauelementaufbaues, bei welchem das Halbleiterelement gegen mechanische Beanspruchungen geschützt ist, und zwar sowohl in seinem eigenen Aufbau als auch im Zusammenbau mit Teilen des Halbleiterbauelementgehäuses, auch dann, wenn dabei benachbarte Körper vorhanden sind, die zufolge ihrer für ihren Bestimmungszweck günstigen Werkstoffwahl im Falle der auftretenden Erwärmungen verschiedene thermische Dehnungen aufweisen und wobei außerdem das Halbleiterelement sicher in seiner ordnungsgemäßen betriebsmäßigen Lage im Gehäuse gehalten ist. Zur Erreichung dieses Zieles ist bei einem Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß das Halbleiterelement aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper und aus zwei mit an dessen Endflächen vorgesehenen Elektroden verbundenen, ebenfalls scheibenförmigen Anschlußelektrodenkörpern zusammengesetzt, die aus einem Metall bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleiterkörpers benachbart liegt, und das Halbleiterelement liegt in seiner Lage gesichert an den Deckplatten gleitfähig an.

Besteht der Halbleiterkörper z. B. aus Silizium, so können sinngemäß die Anschlußelektrodenkörper aus Wolfram, Tantal oder Molybdän bestehen, so daß also vermieden ist, daß durch die elektrischen Anschlußkörper der Anordnung betriebsmäßig oder auch bereits bei der Herstellung der Halbleiteranordnung eine thermische Beanspruchung des Halbleiterkörpers in Form unerwünschter mechanischer Spannungen stattfinden kann.

Zweckmäßig kann jede der Deckplatten unmittelbar derart ausgebildet werden, daß sie für die gegenseitige Zuordnung des isolierenden Ringes bzw. Rahmens und des umschlossenen Halbleiterelementes mit dessen Anschlußelektroden als ein Hilfslehrenkörper bzw. als ein Lagesicherungskörper zusammenwirkt. Ein solcher Deckplattenkörper kann daher z. B. mit einer entsprechenden Aussparung oder Vertiefung versehen werden, in welche das Halbleiterelement mit einem seiner Anschlußelektrodenkörper eingesetzt werden kann.

An dem Halbleiterbauelementgehäuse kann mindestens eine der Deckplatten zwischen dem isolierenden Rahmen und dem Halbleiterbauelement membranartig nachgiebig ausgebildet sein.

Der in seinem lichten Raum das Halbleiterelement umschließende rahmenförmige isolierende Körper kann unmittelbar ein einheitlicher Isolierkörper sein,

ίο der z. B. aus keramischem Material besteht. Er kann jedoch auch ein zusammengesetzter Körper sein, der aus Metallkörpern besteht, die ihrerseits einen Körper aus Isoliermaterial zwischen sich einschließen. Für einen solchen letztgenannten Aufbau des isolierenden Ringes kann insbesondere eine sogenannte Druckglasverschmelzung Anwendung finden, die bekanntermaßen aus dem Glaskörper besteht, der zwischen zwei konzentrischen Metalldruckringen von solcher Bemessung liegt, daß bei der Herstellung der Druckglasverschmelzung auf die eingeschlossene Glasmasse bei der Abkühlung Druckkräfte zur Entstehung gelangen, welche den Glaskörper derart unter Druck setzen, daß auch bei den betriebsmäßigen thermischen Beanspruchungen der Anordnung in dem Glaskörper niemals mechanische Zugspannungen auftreten können, die sonst bekanntermaßen an diesem in unerwünschter Weise zu einer Rissebildung führen würden. Wird ein isolierender Körper benutzt, der aus keramischem Material be-

steht, so wird dieser in an sich bekannter Weise zweckmäßig an seinen späteren Verbindungsstellen mit den metallischen Verbindungskörpern, die die mechanische Verbindung mit den Anschlußelektroden des Halbleiterelementes herstellen, entsprechend metallisiert, so daß dann eine gegenseitige mechanische Verbindung zwischen diesen genannten Verbindungskörpern und dem isolierenden Ring bzw. Rahmen mittels eines geeigneten Weichlotes oder eines Hartlotes durch einen Verlötungsprozeß vorgenommen werden kann. Gelangt ein isolierender Ring in Form einer Druckglasverschmelzung zur Anwendung, so hat diese den Vorzug, daß auf diese Weise dann auch eine gegenseitige mechanische Verbindung zwischen je einem der konzentrischen Ringe der Druckglasverschmelzung und je einem der mechanischen Verbindungskörper zu dem Halbleiterelement durch einen elektrischen Schweißprozeß, insbesondere einen elektrischen Widerstandsschweißungsprozeß, vorgenommen werden kann. Diese

so Widerstandsverschweißungsprozesse werden in an 'sich bekannter Weise zweckmäßig in Form einer sogenannten Warzenverschweißung durchgeführt, indem einer der beiden miteinander zu verschweißenden Körper an der Schweißstelle mit einer entsprechenden endlosen Erhöhung geringen Auslaufquerschnittes, also z. B. von dreieck- oder trapezförmigem Querschnitt versehen wird. Die erste gegenseitige Berührung der miteinander zu verschweißenden Körper findet dann zunächst über kleine Flächen relativ hohen elektrischen Widerstandes statt, so daß auf diese Weise der Verschweißungsprozeß in einer sehr erfolgreichen Weise eingeleitet und dann anschließend bis zu seiner Vollendung fortgeführt wird.

Bei einem solchen Aufbau hat es sich als zweckmäßig erwiesen, innerhalb des das Halbleiterelement einschließenden Ringes noch einen besonderen Hilfskörper vorzusehen, der als Lehrenkörper bei Zusam-

menbau der Anordnung, mindestens aber als Lagesicherungskörper für den Halbleiterkörper des Halbleiterelements dient. Handelt es sich z. B. um einen isolierenden Ring aus Isoliermaterial, so kann gegebenenfalls dieser innere das Halbleiterelement lagesichernde bzw. zentrierende Körper unmittelbar mit dem Isolierkörper aus einem Stück hergestellt sein. Er kann aber auch in diesem naturgemäß besonders eingesetzt sein. Ein solcher besonders eingesetzter lagesichernder Körper aus Isoliermaterial erweist sich insbesondere bei derjenigen Anordnung als zweckmäßig, bei welcher eine Druckglaseinschmelzung als isolierender Ring Anwendung findet, denn dann schließt ein metallischer Körper das Halbleiterelement unmittelbar ein bzw. liegt dessen äußerem Umfang benachbart. Ein solcher besonderer lagesichernder Hilfskörper im Hohlraum des isolierenden Ringes erweist sich insbesondere auch dann als zweckmäßig, wenn die Herstellung des Halbleiterelements, z. B. in Form des Einlegierens so ihrer Elektroden in den Halbleiterkörper und deren Verbindung mit den Anschlußelektroden, sowie die Herstellung und Verbindung der Teile, welche an der Bildung des das Halbleiterelement einschließenden Gehäuses beteiligt sind, in einem einzigen Wärmebehandlungsprozeß durchgeführt werden. In diesem Falle ist es nämlich erforderlich, daß die einzulegierenden Elektroden mit dem Halbleiterkörper und auch die besonderen Anschlußelektroden mit den einzulegierenden Elektrodenkörpern bereits in einer vorbestimmten gegenseitigen Lage zusammengebracht werden müssen, bevor der Wärmebehandlungsprozeß zur Legierung bzw. Dotierung des Halbleiterkörpers mit den Dotierungselektroden, deren Verbindung mit den Anschlußelektroden und deren Verbindung mit dem isolierenden Ring über die mechanischen Verbindungselemente vorgenommen wird, welche anteilig an der Bildung eines das Halbleiterelement einschließenden Gehäuses beteiligt sind. Der lagesichernde Körper wirkt dann zweckmäßig mit dem Umfang des Halbleiterelementes zusammen und hält dieses in seiner Lage. Die einzulegierenden Elektrodenmaterialkörper können dabei zunächst mittels eines besonderen Haftmaterials an den entsprechenden Oberflächenstellen des Halbleiterkörpers gehalten werden, z. B. durch Paraffin. Eine gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiteranordnung kann dann ihrerseits noch mit einer entsprechenden Kühlkörperanordnung zusammengebracht bzw. in eine solche eingespannt werden, um die an der Halbleiteranordnung betriebsmäßig anfallende elektrische Verlustwärme in wirksamer Weise abzuführen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.

In F i g. 1 bezeichnet 1 den z. B. aus schwach p-leitendem Silizium bestehenden Halbleiterkörper des Halbleiterelementes, mit welchem die Elektrodenkörper 2 bzw. 3, z. B. aus Gold-Antimon oder Silber-Antimon bzw. Aluminium, Gold-Bor oder Silber-Bor durch Einlegierung verbunden sind. Diese Elektrodenkörper 2 bzw. 3 sind über weitere Anschlußelektrodenkörper 4 bzw. 5 aus einem Metall, welches in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers 1 möglichst benachbart liegt, durch Verlötung bzw. Legierung verbunden. Der elektrisch isolierende Teil des Halbleiterbauelementes besteht nach diesem Ausführungsbeispiel aus einer Druckglasdurchführung, deren Isolierkörper bzw. Glaskörper mit 12 und deren innerer bzw. äußerer metallischer Druckring mit 11 bzw. 13 bezeichnet sind. Als Deckplatten und zugleich als äußere Kontaktkörper sind die metallischen Deckplatten 14 bzw. 15 benutzt. Jede dieser Deckplattenkörper 15 bzw. 14 ist mit je einem der Druckringe 11 bzw. 13 der elektrisch isolierenden Durchführung durch elektrische Widerstandsverschweißung in Verbindung gebracht. Die Deckplatten sind an ihrem mittleren Teil pfannenartig gestaltet, so daß das Halbleiterelement 6, bestehend aus den Komponenten 1 bis 5, mit seinen Anschlußelekirodenkörpern 4 bzw. 5 in je einer der gebildeten Pfannenformen an deren innerer Bodenfläche anliegt. Ferner ist im Hohlraum des inneren Druckringes 11 der elektrisch isolierenden Durchführung ein besonderer zylindrischer Körper 16 aus Isoliermaterial vorgesehen, der vorbeugt, daß eine gegenseitige elektrische Berührung zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem inneren Ring 11 der Druckglasverschmelzung entstehen kann. Der Aufbau einer solchen Anordnung kann etwa in der Weise vorgenommen werden, daß zunächst das Halbleiterelement einschließlich seiner z. B. einzulegierenden und seiner Anschlußelektrodenkörper vollständig fertiggestellt und dann z. B. in eine Anordnung eingesetzt wird, die bereits aus den Elementen 14,11 bis 13 und 16 vorbereitet ist, wonach dann die Deckplatte 15 aufgesetzt und an ihrem Rand mit dem äußeren Ring 13 der elektrisch isolierenden Durchführung verschweißt wird.

Es kann jedoch auch derart vorgegangen werden, daß die einzelnen Elemente sowohl des Halbleiterbauelementegehäiiseteiles als auch die Aufbauteile des Halbleiterelementes in einer Hilfsvorrichtung zusammengeschichtet werden und dann zugleich mit der Legierung am Halbleiterelement auch die Hartlötverbindungen zwischen den Gehäuseteilen vorgenommen werden.

Eine gemäß Fig. 1 fertiggestellte Anordnung 6 kann dann in eine Kühlanordnung eingesetzt werden, wie dies z. B. in der F i g. 2 veranschaulicht ist. Diese Kühlanordnung besteht aus zwei Kühlkörpern 18 bzw. 19, die mit Kühlflossen 20 bzw. 21 versehen sind. Die beiden Kühlkörper 18 bzw. 19 werden mittels der Schrauben 22 bzw. 23 und der Muttern 24 bzw. 25 zweckmäßig über Druckfedern 26 bzw. 27 zusammengespannt. Um hierbei für eine elektrisch isolierende Trennung der beiden Kühlkörper 20 und 21 zu sorgen, sind in den Durchgangskanälen des Kühlkörpers 20 für die Schrauben 22 bzw. 23 besondere isolierende Hülsen 28 bzw. 29 vorgesehen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem in einem scheibenförmigen, aus einem isolierenden Rahmen und aus zwei an ihren Rändern dicht mit diesem verbundenen metallischen Deckplatten bestehenden Gehäuse eingeschlossenen scheibenförmigen Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper und aus zwei mit an dessen Endflächen vorgesehenen Elektroden verbundenen, ebenfalls scheibenförmigen Anschlußelektrodenkörpern zusam-

mengesetzt ist, die aus einem Metall bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleiterkörpers benachbart liegt, und daß das Halbleiterelement in seiner Lage gesichert an den Deckplatten gleitfähig anliegt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Deckplatten zwischen dem isolierenden Rahmen und dem Halbleiterelement membranartig nachgiebig ausgebildet ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatten zwischen Halbleiterelement und isolierendem Rahmen als Hilfsmontagelehren- bzw. Lagesicherungskörper des Halbleiterelementes ausgebildet sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatten mit je einer besonderen Aussparung bzw. Vertiefung versehen sind, in welche das Halbleiterelement eingesetzt werden kann.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Vertiefung in der Deckplatte ein mittlerer Teil derselben zu einer mit ihrer äußeren Bodenfläche nach außen ausladenden Pfannenform gestaltet ist, auf deren innerer Bodenfläche die Endfläche des Anschlußelektrodenkörpers des Halbleiterelementes anliegt.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Rahmen mit seiner inneren Randzone entweder unmittelbar oder über einen besonderen Einsatzkörper als lagesicherndes Organ dem Umfang des Halbleiterelementes angepaßt ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Rahmen lediglich aus Isoliermaterial besteht und an vormetallisierten Stellen mit den Deckplatten durch eine Lötung mittels Hart- oder Weichlot verbunden ist.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Rahmen aus einer Druckglaseinschmelzung mit einem zwischen konzentrischen Metalldruckringen eingeschlossenen Glaskörper besteht und daß die Deckplatten mit je einem der Metalldruckringe durch Hartlötung oder Verschweißung verbunden sind.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des inneren Metalldruckringes der Druckglaseinschmelzung noch ein besonderer, die Lage des Halbleiterelementes sichernder isolierender Körper vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die mechanische Verbindung der Deckplatten mit dem isolierenden Rahmen durch einen Lötprozeß als auch die Wärmebehandlung an den Aufbauelementen des Halbleiterelementes für die Einlegierung der dotierenden Elektrodenwerkstoffe sowie die Verbindung dieser Elektroden mit den Anschlußelektrodenkörpern in dem gleichen Wärmebehandlungprozeß durchgeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzulegierenden Elektrodenmaterialkörper zunächst mittels eines besonderen Haftmaterials, wie Paraffin, an den entsprechenden Oberflächenstellen des Halbleiterkörpers gehalten werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 950 491;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 083 936;
britische Patentschriften Nr. 785 461, 816 221,
596, 832 979.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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