DE1242758B

DE1242758B - Semiconductor arrangement, especially for high performance, in which a thin, disk-shaped semiconductor body is attached to a carrier plate

Info

Publication number: DE1242758B
Application number: DE1961S0073364
Authority: DE
Inventors: Herbert Vogt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-04-07
Filing date: 1961-04-07
Publication date: 1967-06-22

Description

Halbleiteranordnung, insbesondere für große Leistungen, bei der ein dünner, C scheibenförmiger Halbleiterkörper auf einer el Trägerplatte befestigt ist Die Effindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, insbesondere für große Leistungen, bei der ein dünner, scheibenförmiger Halbleiterkörper auf einer Trägerplatte befestigt ist, die aus einem Metall besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens annähernd dem des Halbleiterkörpers entspricht und bei dem die Trägerplatte über eine Hartlotschicht mit einem weiteren Trägerkörper mit einem von dem des Halbleiterkörpers abweichenden therinischen Ausdehnungskoefßzienten verbunden ist.A semiconductor device, disc-shaped, in particular for large loads, in which a thin, C semiconductor body on a el support plate is fixed The Effindung relates to a semiconductor device, in particular for large loads, in which a thin disk-shaped semiconductor body is fixed on a carrier plate consisting of a There is metal whose thermal expansion coefficient corresponds at least approximately to that of the semiconductor body and in which the carrier plate is connected via a brazing layer to another carrier body with a thermal expansion coefficient different from that of the semiconductor body.

Bei solchen Halbleiterbauelementen ist es wichtig, daß die betriebsmäßig an dem Halbleiter anfallende Joulesche Wänne sehr leicht abgeführt werden kann und wirksam ab-eführt wird. Für diese Wärmeabfuhr sind daher im Wege des Wärineflusses nach Möglichkeit Teile aus Werkstoffen von guter Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Diese Teile aus solchen Werkstoffen haben aber im allgemeinen einen gegenüber demjenigen des Halbleiterwerkstoffes abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wird daher ein Halbleiterkörper unmittelbar mit einem Teil aus einem solchen Werkstoff verbunden, so muß befürchtet werden, daß wegen der verschiedenen thermischen Dehnungen, die bei den verschiedenen Arbeitstemperaturen während des betriebsmäßigen Einsatzes als auch bereits bei den Temperaturen, die an den Teilen bei der Fertigung des Halbleiterelementes auftreten können, Schubspannungen an der gegenseitigen Verbindungsstelle der beiden Körper auftreten können, wenn die Körper an dieser starr miteinander verbunden sind, so daß dadurch an dem verbundenen System die beiden Teile, welches den Charakter eines Bimetallsystems hat, gegebenenfalls Schäden für das Halbleiterelement zur Entstehung gelangen können. Um solchen nachteiligen Wirkungen auf den Halbleiterkörper, dessen Werkstoff im allgemeinen spröden Charakter hat, vorzubeugen, ist es daher vielfach üblich, den Halbleiterkörper auf einer besonderen Trägerplatte aus einem solchen Werkstoff zu befestigen, der in seinem therinischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers möglichst benachbart liegt, wobei die Trägerplatte in diesem Sinne z. B. aus Molybdän bestehen kann.In such semiconductor components, it is important that the operational Joule waves occurring on the semiconductor can be dissipated very easily and is effectively discharged. For this heat dissipation are therefore by way of the heat flow to use parts made of materials with good thermal conductivity whenever possible. However, these parts made of such materials generally have one opposite to that of the semiconductor material deviating thermal expansion coefficient. Will therefore a semiconductor body connected directly to a part made of such a material, so it must be feared that because of the various thermal expansions that at the different working temperatures during operational use as well as at the temperatures that are applied to the parts during the manufacture of the semiconductor element shear stresses can occur at the junction of the two Bodies can occur if the bodies are rigidly connected to one another at this point, so that in the connected system the two parts which make up the character a bimetal system has, if necessary, damage to the semiconductor element Can arise. To avoid such adverse effects on the semiconductor body, It is therefore necessary to prevent the material of which is generally brittle often common, the semiconductor body on a special carrier plate from a to fasten such material, which in its thermal expansion coefficient that of the semiconductor body is as adjacent as possible, the carrier plate in this sense z. B. may consist of molybdenum.

In Verbindung mit einem solchen Aggregat aus Halbleiterkörper und Trägerplatte ist auch bereits dessen Verlötuno, mittels eines Weichlotes auf einem weiteren Träger, z. B. der Grundplatte oder dem Boden eines Gehäuses aus Kupfer, benutzt worden. Bei einer solchen Anordnung kann das Weichlot bis zu einem gewissen Grade die Funktion übernehmen, in der Auswirkung der auf Grund des unterschiedlichen Wärineausdehnungskoeffizienten der benachbart liegenden Stoffe an der gegenseitigen Verbindungsstelle von Trägerplatte und Gehäuseteil auftretenden mechanischen Schubspannungen einen Ausgleich zu schaffen, so daß diese nur in verringertem Maße an der Trägerplatte auftreten.In connection with such an aggregate consisting of a semiconductor body and The carrier plate is already its soldering, using a soft solder on one further carrier, e.g. B. the base plate or the bottom of a housing made of copper, been used. With such an arrangement, the soft solder can up to a certain extent Degree take over the function in the impact of due to the different Coefficients of thermal expansion of the materials lying next to each other Mechanical shear stresses occurring at the connection point between the carrier plate and the housing part to create a compensation, so that this only to a reduced extent on the carrier plate appear.

Bei solchen Weichlotverbindungen haben sich jedoch im Laufe der Zeit gewisse Ermüdungserscheinungen ergeben, indem das Gefüge dieser Lotschichten seinen inneren Zusammenhang verlor, was eine Verschlechterung der Wärmeableitung über die Lotschicht zur Folge hatte und auch zu einem Ab- lösen des Halbleiterelementaggregates von dem weiteren Träger führen konnte.Was in such soft solder, however, the time have in the course provides certain fatigue by the structure of the solder layers lost his inner connection, resulting in a deterioration of the heat dissipation through the solder layer result and also to a looseness of the semiconductor element unit of the further supports cause .

Wird bei einem solchen Aufbau eines Halbleiterelementes die Lotschicht relativ dick gewählt, so bedeutet das eine Vergrößerung des Wärmewiderstandes im Wärmeabführungsweg. Auch eine Vergrößerung der Dicke der Molybdän- bzw. Trägerplatte mit Rücksicht auf eine Steigerung ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit zum mechanischen Schutz des eigentlichen Halbleiterkörpers bedeutet eine Vergrößerung des Wärinewiderstandes.With such a structure of a semiconductor element, the solder layer If chosen to be relatively thick, this means an increase in the thermal resistance im Heat dissipation path. Also an increase in the thickness of the molybdenum or carrier plate with a view to increasing their mechanical resistance to mechanical Protection of the actual semiconductor body means an increase in thermal resistance.

Es war auch bekannt, die z. B. aus Molybdän bestehende Trägerplatte zunächst auf eine oder mehrere Zwischenschichten bzw. Zwischenplatten aufzulöten und diese Zwischenplatten miteinander zu verlöten, wobei die Werkstoffe dieser Zwischenplatten in ihrem Ausdehnungskoeffizienten zwischen demjenigen des Kupfers und des Molybdäns liegen, so daß ein gewisser stufenföriniger übergang hinsichtlich der Ausdehnungskoeffizienten der benachbart liegenden Zwischenkörper geschaffen ist. Eine solche Fertigung bringt aber einen verhältnismäßig großen Aufwand mit sich, und sie führt in ihrer Auswirkung wieder dazu, daß jede dieser Zwischenschichten einen gewissen Wärmewiderstand zusammen mit den ihr benachbarten Lotschichten darstellt, über welche sie miteinander verlötet sind, wobei außerdem beachtet werden muß, daß von jeder dieser Lotschichten eine entsprechende Güte gefordert werden muß, damit der übergang zwischen den einander benachbarten Körpern sowohl in elektrischer als auch in wärmeflußmäßiger Hinsicht die erwünschte hohe Güte hat.It was also known that z. B. made of molybdenum carrier plate first to be soldered onto one or more intermediate layers or intermediate plates and to solder these intermediate plates together, the materials of these intermediate plates in their coefficient of expansion between that of copper and molybdenum lie, so that a certain stepped transition with regard to the expansion coefficient the adjacent intermediate body is created. One such Manufacturing, however, involves a relatively large amount of effort, and it leads in their effect again to the fact that each of these intermediate layers has a certain Represents thermal resistance together with the solder layers adjacent to it, over which they are soldered together, and it must also be noted that each These solder layers must have a corresponding quality required so that the transition between the adjacent bodies in both electrical and thermal flux Respect has the desired high quality.

Ein anderer Vorschlag zur Beherrschung dieser Verhältnisse soll an Hand der F i g. 1 erläutert werden.Another suggestion for controlling these relationships is to be found on the basis of FIG. 1 will be explained.

Nach diesem ist die Trägerplatte, welche z. B. aus Wolfram besteht, und welche an ihrer oberen Fläche den nicht besonders dargestellten, z. B. nach der gegenseitigen Verbindung von Trägerplatte und benachbartem Körper anlegierten Halbleiterkörper tragen -würde, über eine Hartlotschicht 2 mit dem Kupferblock 3 verlötet. Dieser Kupferblock 3 ist seinerseits über eine Weichlotschicht 5 auf einen aus Kupfer bestehenden, nur teilweise angedeuteten Gehäuseteil 4 aufgelötet.After this, the carrier plate, which z. B. consists of tungsten, and which on its upper surface the not particularly shown, z. B. wear alloyed semiconductor body after the mutual connection of the carrier plate and the adjacent body - would be soldered to the copper block 3 via a brazing layer 2. This copper block 3 is in turn soldered via a soft solder layer 5 to a housing part 4 made of copper and only partially indicated.

Bei dem Vorgang der gegenseitigen Verlötung zwischen den Teilen 1 und 3 werden diese z. B. auf etwa 800' C oder darüber erhitzt. Beim anschließenden Abkühlungsvorgang erhärtet dann das Hartlot2. Sobald dieses aber seine Bindung mit der Wolframplatte 1 eingegangenen ist, wird der Schrumpfungs-#,organg, der an der Platte 3 vor sich geht, nicht mehr gleichmäßig stattfinden können, sondern er wird in den Schichten, die der Trägerplatte 1 benachbart liegen, nur in geringerem Maße stattfinden können, 17nach der in der Figur untenliegenden Endfläche von 3 zu. Er nimmt dann an seiner Mantelfläche z. B. etwa die Form an, wie sie durch die gestrichelten, mit 6 bezeichneten Linien angedeutet ist. Ist auf diese Weise das Aggregat 1, 2, 3 hergestellt worden, so wird die Trägerplatte mittels der angeführten Weichlotschicht 5 auf der oberen Fläche des Gehäuseteiles 4 festgelötet. Diese Lötverbindung ist dann weitgehend spannungsfrei, weil zwei Körper aus gleichem Werkstoff, nämlich aus Kupfer, einander benachbart liegen. Es ist jedoch bei dieser Lösung außer der Lotschicht 2 noch die Lotschicht 5 erforderlich, welche im Wärmeabflußweg in der anaeführten Weise einen relativ hohen Wärmewiderstand bilden kann, der eventuell unerwünscht ist.In the process of mutual soldering between the parts 1 and 3 , these are z. B. heated to about 800 ° C or above. During the subsequent cooling process, the hard solder2 then hardens. But as soon as this has entered into its bond with the tungsten plate 1 , the shrinkage - #, organg going on on the plate 3 can no longer take place uniformly, but it will only take place in the layers that are adjacent to the carrier plate 1 can take place to a lesser extent, 17 according to the end face of 3 which is at the bottom in the figure. He then takes z. B. about the shape as indicated by the dashed lines denoted by 6. If the unit 1, 2, 3 has been produced in this way, the carrier plate is soldered to the upper surface of the housing part 4 by means of the soft solder layer 5 mentioned. This soldered connection is then largely stress-free because two bodies made of the same material, namely copper, are adjacent to one another. In this solution, however, in addition to the solder layer 2, the solder layer 5 is also required, which can form a relatively high thermal resistance in the heat discharge path in the manner mentioned, which may be undesirable.

Aus diesem Grunde ist man auch schon zu einer Lösung übergegangen, wie sie an Hand der F i g. 2 erläutert werden soll.For this reason, a solution has already been adopted as shown in FIG. 2 should be explained.

Der Kupferblock 3 ist in diesem Falle nicht besonders auf den Bodenteil 4 des Gehäuses aufgelötet, sondern er ist unmittelbar mit diesem als eine Einheit hergestellt. Die Trägerplatte des Halbleiterelementes 1 ist in diesem Falle mit dem Kupferblock 3 unmittelbar hart verlötet, so daß also die Weichlotschicht 5 in Fortfall gekommen ist. In diesem Falle liegen jedoch der Körper 1 aus Molybdän oder Wolfram und der Körper 3 a bzw. anteilige Körper von 4 unmittelbar benachbart. Sollen an dieser Anordnung einwandfreie Verhältnisse vorliegen, so muß die Trägerplatte dicker gewählt werden, da ein Bimetallsystern vorliegt, wobei der eine anteilige Körper dieses Bimetallsystems unmittelbar den Halbleiterkörper trägt. In dieser Figur ist nun veranschaulicht, was sich für Erscheinungen ergeben können, wenn das System im Verlaufe des Verlötungsvorganges sich dann abkühlt. Ähnlich wie in F i g. 1 sind an dem mit der Platte 1 verlöteten anteiligen Körper von 3 a in einem zur Veranschaulichung gewählten Maßstab Konturen 6a eingetragen, denen dieser Körper 3 a bei seiner Abkühlung zustreben wird. Hierbei wird aber gleichzeitig eine mechanische Einwirkung auf die Platte 1 stattfinden, so daß diese nicht mehr ihre plane Form beibehält, sondern einer Form zustrebt, die wieder in einem zur Veranschaulichung gewählten Maßstab durch die eingetragenen gestrichelten Linien 7 angedeutet ist.In this case, the copper block 3 is not specifically soldered to the bottom part 4 of the housing, but is produced directly with it as a unit. In this case, the carrier plate of the semiconductor element 1 is directly hard-soldered to the copper block 3 , so that the soft solder layer 5 has been omitted. In this case, however, the body 1 made of molybdenum or tungsten and the body 3 a or part of the body of 4 are immediately adjacent. If perfect conditions are to be present in this arrangement, the carrier plate must be made thicker, since there is a bimetallic system, the one part of this bimetallic system directly bearing the semiconductor body. In this figure is now illustrated, which may result f or symptoms when the system is in the course of the Verlötungsvorganges then cools. Similar to FIG. 1 , contours 6a are plotted on the proportional body of 3 a soldered to the plate 1 on a scale chosen for illustration purposes, to which this body 3 a will strive when it cools. At the same time, however, a mechanical action will take place on the plate 1 , so that it no longer maintains its planar shape, but rather strives for a shape which is again indicated by the dashed lines 7 on a scale chosen for illustration.

Eine solche Verformung der Trägerplatte soll durch die Erfindung verhindert werden.Such a deformation of the carrier plate is intended to be prevented by the invention will.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,daß die Trägerplatte in einer den Abmessungen des Halbleiterkörpers derart angepaßten Aussparung sitzt daß die Trägerplatte an ihrer äußeren Mantelfläche von dem weiteren Trägerkörper mit einer auch während des Betriebes bestehenbleibenden mechanischen Vorspannung umschlossen ist.The invention is characterized in that the carrier plate in a the dimensions of the semiconductor body so adapted recess sits that the Carrier plate on its outer circumferential surface of the further carrier body with a mechanical prestress that remains during operation is enclosed is.

Nun ist es zwar an sich bekannt, die Trägerplatte eines Halbleiterkörpers in einer Aussparung eines weiteren Trägerkörpers zu verlöten. Hierzu wurde jedoch eine Weichlotschicht verwendet. Dabei kann aber eine Verspannung der Trägerplatte gegenüber dem Trägerkörper, d. h. das der Erfindung zugrunde liegende Problem, nicht auftreten.It is now known per se to solder the carrier plate of a semiconductor body in a recess in a further carrier body. However, a soft solder layer was used for this purpose. However, a bracing of the carrier plate relative to the carrier body, d. H. the problem underlying the invention do not occur.

Ferner ist es bekannt, die Trägerplatte eines Halbleiterkörpers in eine angepaßte Aussparung eines auf höhere Temperatur erhitzten Metallteiles zu stecken, das bei seiner Abkühlung auf die Mantelfläche des Trägerkörpers aufschrumpft. Dieser Trägerkörper besteht aber bekanntlich aus einem Material mit relativ schlechter Wärineleitfähigkeit, weshalb an auch bemüht ist, die Dicke dieser Trägerkörper sehr gering zu halten. Bei der bekannten Konstruktion kann aber die Wärme nur über die seitlichen Mantelflächen abgeführt werden, die dann entsprechend groß bemessen sein müssen. Das hat aber insgesamt einen hohen Wärmewiderstand zur Folge. Eine Hartlotschicht zwischen dem Trägerkörper und dem Metallteil ist nicht vorgesehen.It is also known that the carrier plate of a semiconductor body in an adapted recess of a metal part heated to a higher temperature which shrinks onto the surface of the carrier body when it cools down. However, as is known, this carrier body consists of a material with a relatively poor quality Thermal conductivity, which is why an effort is made to reduce the thickness of this carrier body very much to keep it low. In the case of the known construction, however, the heat can only be transmitted via the lateral lateral surfaces are dissipated, which are then dimensioned accordingly large have to. Overall, however, this results in a high thermal resistance. A braze layer between the carrier body and the metal part is not provided.

Schließlich ist es bekannt, die Trägerplatte eines Halbleiterkörpers in eine Aussparung eines Metallteiles zu setzen und darin zu verpressen. Dieses Verfahren erfordert jedoch kostspielige Spezialwerkzeuge und ist außerdem nur zusammen mit einem relativ weichen Metall durchführbar. Die Gehäuse von Halbleiterbauelementen sollen jedoch wegen der Erfordernisse bei der Anwendung (Schraubstutzen) relativ hart sein.Finally, the carrier plate of a semiconductor body is known to be placed in a recess of a metal part and pressed into it. This However, the procedure requires expensive special tools and, moreover, is only combined feasible with a relatively soft metal. The housing of semiconductor components should, however, be relative due to the requirements of the application (screw socket) be tough.

Eine sehr einfache Ausführungsform des Grundgedankens der Erfindung ergibt sich dann, wenn die Trägerplatte des Halbleiterelementes ein einfacher plattenföriniger Körper ist, der in die Aussparung des Gehäuseteiles in dessen erwärmtem Zustand eingesetzt wird, nachdem ein entsprechender Lotvorrat an den gegenseitigen Verbindungsflächen vorgesehen ist. Beim zeitlichen Ablauf des Lötvorganges in Richtung auf dessen Ende wird dann mit der Abkühlung und Verfestigung der Lotschichten zwischen der Trägerplatte und dem Gehäuseteil gleichzeitig das Aufschrumpfen dieses Gehäuseteiles mit einem Körperanteil auf die Mantelfläche der Trägerplatte stattfinden, wobei diese aber in der angegebenen Weise als ein Widerlager wirkt. Sie behindert also die Schrumpfwirkung des Gehäuseteiles, insbesondere auch an der senkrecht zur Mantelfläche liegenden Verbindungsfläche der Trägerplatte, so daß die in der entstandenen Lotschicht sonst wegen der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Trägerplatte und Gehäuseteil auftretenden Schubkräfte wesentlich herabgesetzt werden.A very simple embodiment of the basic idea of the invention results when the carrier plate of the semiconductor element is a simple plate-shaped Body is in the recess of the housing part in its heated state is used after a corresponding supply of solder on the mutual connection surfaces is provided. At the time of the soldering process towards its end is then with the cooling and solidification of the solder layers between the carrier plate and the housing part at the same time the shrinking of this housing part with a Body portion take place on the outer surface of the carrier plate, but this in the specified Way acts as an abutment. You hindered So the shrinkage effect of the housing part, in particular also at the perpendicular to Lateral surface lying connection surface of the carrier plate, so that the resulting in Otherwise solder layer because of the different thermal expansion coefficients of Carrier plate and housing part occurring shear forces are significantly reduced.

Bei einer solchen Lösung muß die Träggerplatte über ihre gesamte Flächenausdehnun- mit einer entsprechenden Dicke her- " estellt werden, damit sie die Funktion des Widerlagers beim Schrumpfungsvorgang einwandfrei übernehmen kann. Eine relativ große Dicke der Trägerplatte bedeutet aber, wie angegeben, immerhin doch einen gewissen Wärmewiderstand im Wärmeabflußweg von dem Halbleiterelement, so daß sich eine Lösung als vorteilhaft erweisen wird, welche zuläßt, die Trägerplatte mindestens über einen Anteil ihrer Flächenausdehnung auf eine geringere Dicke herabzusetzen. Eine solche Lösung wird dann erreicht, wenn mit einer Trägerplatte geringerer Dicke an deren mittlerer dem Gehäuseteil zugewandter Fläche ein besonderer Stützkörper vorgesehen wird, der über eine Hartlotverbindung mit der Trägerplatte verbunden ist, und der in C el einer Aussparung von kleinerer Flächenausdehnung senkrecht zur Längsachse des Gehäuseteils eingeführt ist, als die Flächenausdehnung derjenigen Aussparung beträgt, in welche die dünnere Trägerplatte eingesetzt ist. Diese zweite Aussparung muß hinsichtlich ihrer inneren Mantehfläche wieder so der Mantelfläche des Stützkörpers angepaßt sein, daß auf diesen beim Abkühlungsvorgang senkrecht zu seiner Achse bzw. der Achse des Gehäuseteiles im Verlaufe des Lötprozesses eine entsprechende Schrumpfkraft ausgeübt wird, der dieser Stützkörper aber wieder sinngemäß als Widerlager begegnet. Es liegt in diesem Falle dann eine Anordnung vor, bei welcher also eine dünnere Trägerplatte gewählt werden konnte und ein Anteil der Funktion der Schrumpfungsbehinderung des Gehäuseteiles nunmehr dem Stützkörper übertragen ist.With such a solution, the Träggerplatte must be estellt over their entire Flächenausdehnun- with a corresponding thickness manufacturers "so that they can take over the function of the abutment at the shrinking process properly. However, a relatively large thickness of the support plate means as indicated, after all, but a certain Thermal resistance in the heat dissipation path from the semiconductor element, so that a solution will prove to be advantageous which allows the carrier plate to be reduced to a smaller thickness at least over a portion of its surface area the housing part facing surface of a special support body is provided which is connected via a braze joint with the support plate, and which is C el a recess of smaller surface dimension perpendicular introduced to the longitudinal axis of the housing part, is when the surface area of those recess , in which the thinner carrier plate is inserted. This second recess must be adapted to the outer surface of the support body in terms of its inner surface area so that a corresponding shrinkage force is exerted on it during the cooling process perpendicular to its axis or the axis of the housing part in the course of the soldering process, but this support body again acts as an abutment encountered. In this case, there is an arrangement in which a thinner carrier plate could be selected and a portion of the function of preventing shrinkage of the housing part is now transferred to the support body.

Eine dieser Lösuno, ähnliche kann dadurch erreicht werden, daß mit einer Trägerplatte von geringerer Dicke an ihrer dem Gehäuseteil zugewandten Oberfläche nicht nur ein zentraler Stützkörper benutzt wird, der die Schrumpfwirkung des Gehäuseteiles behindert, sondern auch noch einen solchen zentralen Teil umschließende Ringkörper, die mit dem dünneren Trägerplattenteil durch Hartlötung verbunden sind. Es liegt dann gewissermaßen eine Unterteilung des gesamten Schrumpfvorganges, der sich auf die Trägerplatte bzw. das Trägerplattensystern auswirkt, mit den zueinander konzentrischen Zonen vor, wobei also von jeder dieser Zonen nur anteilio, eine entsprechende Schrumpfwirkung von den verschiedenen einander umschließenden Stützkörpern des Trägerplattensystems übernommen zu werden braucht.A solution similar to this can be achieved by using a carrier plate of smaller thickness on its surface facing the housing part not only a central support body is used, which reduces the shrinking effect of the housing part hindered, but also an annular body enclosing such a central part, which are connected to the thinner carrier plate part by brazing. It lies then to a certain extent a subdivision of the entire shrinking process, which is based on the carrier plate or the carrier plate system affects, with the concentric to each other Zones in front, so of each of these zones only proportionally, a corresponding shrinking effect of the various supporting bodies of the carrier plate system that surround one another needs to be taken over.

Es liegt im Rahmen dieser soeben angeführten Lösung, eine Mehrzahl von zueinander konzentrischen Ringen zu benutzen, die in entsprechende Aussparungen des Gehäuseteiles eingeführt werden, wobei jeder dieser konzentrischen Ringe an seiner der Trägerplatte zugewandten Endfläche mit dieser durch Hartlötung verbunden ist.It is within the scope of this solution just mentioned, a plurality of concentric rings to be used, which are in corresponding recesses of the housing part are introduced, each of these concentric rings on its end face facing the carrier plate is connected to it by brazing is.

Wie bereits an Hand der F i g. 2 angedeutet ist, wird eine auftretende Bimetallwirkung ihr größtes Ausmaß in der Mitte der Fläche der beiden miteinander verbundenen Körper haben. Um der Auswirkung eines Restes anteiliger Schrumpfkräfte an den mittleren benachbart liegenden Teilen der miteinander verbundenen Flächen der beiden Körper zu begegnen, kann in Verbindung mit den genannten Lösungswegen auch auf eine gegenseitige Verbindung mittels Verlötun- an diesen mittleren Flächenteilen verzichtet werden. Lieaen z. B. kreisflächenfönnige, einander zugeordnete Teile vor, so wird im allgemeinen der größere Anteil der übergangsfläche für die Wärmeabfuhr durch die äußeren Teile der Kreisfläche geboten, während ein zentraler Kreisflächenanteil nur einen geringeren anteiliggen Beitrag liefert. Es kann daher also gegebenenfalls auf einen solchen kreisflächenförmigen zentralen Anteil zwischen beiden Körpern für den Wärmeübergang verzichtet werden. Für diese Lösung wird daher das Verfahren derart durchgeführt, daß die Aussparung des Gehäuseteils an einem solchen zentralen oder mittleren Flächenanteil mit größerer Tiefe gewählt wird, als es der Eintauchtiefe des Trägerplattenkörpers bzw. Trägerplattenkörpersystems entspricht, so daß also zwischen Gehäuse- und Trägerplatte ein Hohlraum verbleibt, -in welchen der schrumpfende Körper etwas ausweichen kann.As already shown in FIG. 2 is indicated, an occurring bimetal effect will have its greatest extent in the middle of the surface of the two interconnected bodies. In order to counteract the effect of a remainder of proportional shrinkage forces on the middle adjacent parts of the interconnected surfaces of the two bodies, a mutual connection by means of soldering on these central surface parts can also be dispensed with in connection with the solutions mentioned. Lieaen z. B. before circular area-shaped, associated parts, the larger proportion of the transition area is generally provided for heat dissipation through the outer parts of the circular area, while a central circular area component provides only a smaller proportional contribution. It is therefore possible, if necessary, to dispense with such a central portion in the form of a circular area between the two bodies for the heat transfer. For this solution, the method is therefore carried out in such a way that the recess of the housing part at such a central or middle surface portion is selected with a greater depth than corresponds to the immersion depth of the carrier plate body or carrier plate body system, so that a cavity remains between the housing and carrier plate -in which the shrinking body can evade a little.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung im Sinne dieser Lösungswege an Hand von Ausführungsbeispielen wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.For a more detailed explanation of the invention in terms of these approaches on the basis of exemplary embodiments, reference is now made to the figures of the drawing taken.

In F i g. 3 bezeichnet 1 eine Trägerplatte, z. B. aus Molybdän, die in eine Aussparung 8 des z. B. aus Kupfer bestehenden Gehäuseteiles 4 eingesetzt ist und mit dieser über ein Hartlot 9 verlötet wird. Das Einsetzen der Platte 1 erfolgt, nachdem gleichzeitig ein entsprechender Lotvorrat für die Bildung von 9 an der Anordnung vorgesehen worden ist, in erwärmtem Zustand von 4 auf die Bodenfläche der Aussparung 8. Hat sich das Lot 9 an den entsprechenden ,gegenseitigen Verbindungsflächen gleichmäßig ver-C C b C teilt, und überläßt man dann die Anordnung ihrem Abkühlungsvorgang oder führt diesen durch, so wird der Anteil 4a von 4 auf die äußere Mantelfläche der Trägerplatte von 1, welche dabei als Widerlager wirkt, aufschrumpfen, wobei sich Schrumpfkräfte auf 1 auswirken werden, wie sie durch die eingetragenen und mit P bezeichneten Pfeile angedeutet sind. Bei diesem Schrumpfvorgang können aber die Anteile von 4, welche der unteren Fläche von 1 benachbart liegen, der sonst auftretenden Schrumpfwirkuno, nicht mehr so folgen, wie es sonst der Fall sein würde, weil eben diese Schrumpfwirkung durch das Zusammenwirken von 4a mit der Mantelfläche von 1 behindert wird.In Fig. 3 , 1 denotes a support plate, e.g. B. of molybdenum, which is in a recess 8 of the z. B. made of copper housing part 4 is used and is soldered to this via a hard solder 9. The insertion of the plate 1 takes place after a corresponding supply of solder for the formation of 9 on the arrangement has been provided at the same time, in the heated state of 4 on the bottom surface of the recess 8. Has the solder 9 evenly on the corresponding, mutual connecting surfaces. C C b C divides, and if the arrangement is then left to its cooling process or if this is carried out, the portion 4a of 4 will shrink onto the outer surface of the support plate of 1, which acts as an abutment, whereby shrinkage forces will affect 1 as indicated by the arrows entered and denoted by P. In this shrinking process, however, the portions of 4, which are adjacent to the lower surface of 1 , can no longer follow the otherwise occurring shrinkage effect as it would otherwise, because this shrinkage effect due to the interaction of 4a with the outer surface of 1 is disabled.

In dieser F i g. 3 ist bereits angedeutet, wie unterhalb des mittleren Teiles der Trägerplatte 1 in dem Gehäuseteil 4 ein Aussparungsanteil von größerer Tiefe vorgesehen ist als der diesen umschließende Teil, welcher mit der unteren Fläche von 1 verlötet worden ist, und zwar aus den Gründen, welche im allgemeinen Teil der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bereits gegeben worden sind.In this fig. 3 is indicated, such as below the middle part of the support plate 1 in the casing part 4 a recess portion of greater depth is provided than that which has been which are soldered to the lower surface of 1 this surrounding part, and for the reasons, which are generally Part of the description of the present invention have already been given.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist die Dicke der Trägerplatte la geringer gewählt worden als diej enige der Platte 1 nach F i g. 3. Gleichzeitig ist jedoch nunmehr an einem mittleren Anteil der unteren Fläche von la ein Stützkörper 11 vorgesehen, der mit der unteren Fläche von la über eine Hartlotverbindung verbunden ist. Dieser mittlere Stützkörper 11 sitzt dabei in einer Aussparung 12, die sich von der Bodenfläche der Aussparung 8 in den Gehäusekörper 4 hinein erstreckt. Unterhalb des mittleren Flächenteils des Stützkörpers 11 ist wieder eine Aussparung ähnlich der mit 10 bezeichneten nach F i g. 3 vorgesehen, welche nunmehr mit 10 a bezeichnet ist. Der Umfang der Mantelflächen von la und von 11 in bezug auf die inneren Mantelflächen von 8 a bzw. 12 ist wieder derart gewählt, daß beim Abkühlungsvorgang am Ende des Verlötungsvorganges ein Aufschrumpfen der entsprechenden Anteile des Gehäusekörpers 4 auf die Mantelfläche von la und die Mantelfläche von 11 stattfindet. Es ist zu erkennen, daß bei dieser Lösung nicht mehr der Trägerplattensystemanteil la im Sinne der Trägerplatte 1 die gesamten Schrumpfkräfte von 4 zu übernehmen hat, sondern vielmehr nun ein wesentlicher Anteil dieser Schrumpfkräfte, der durch die eingetragenen gestrichelten und mit P, bezeichneten Pfeile angedeutet ist, von dem Stützkörper 11 des Trägerplattensystems Übernommen wird. Es liegt also eine Lösung vor, bei welcher die gleiche vorteilhafte Wirkung erreicht ist, daß an den gegenseitigen Verlötungsflächen keine solche Schubspannungen durch den schrumpfenden Gehäuseteil hervorgerufen werden können, jedoch in diesem Falle nunmehr ein Aufbau geschaffen ist, bei welchem ein wesentlicher Wärmeflußanteil über eine in ihrer Dicke herabgesetzte Trägerplatte gegenüber der Lösung nach F i g. 3 erreicht ist.In the embodiment according to FIG. 4, the thickness of the carrier plate la has been selected to be smaller than that of the plate 1 according to FIG. 3. At the same time, however, a support body 11 is now provided on a central portion of the lower surface of la, which is connected to the lower surface of la via a hard solder connection. This middle support body 11 is seated in a recess 12 which extends from the bottom surface of the recess 8 into the housing body 4. Below the central surface part of the support body 11 there is again a recess similar to that denoted by 10 according to FIG . 3 is provided, which is now designated by 10 a. The circumference of the lateral surfaces of la and 11 in relation to the inner lateral surfaces of 8 a and 12 is again selected such that during the cooling process at the end of the soldering process, the corresponding portions of the housing body 4 are shrunk onto the outer surface of la and the outer surface of 11 takes place. It can be seen that in this solution the carrier plate system portion la in the sense of carrier plate 1 no longer has to take over the entire shrinkage forces of 4, but rather a substantial portion of these shrinkage forces, which is indicated by the dashed arrows marked with P , is taken over from the support body 11 of the carrier plate system. There is therefore a solution in which the same advantageous effect is achieved that no such shear stresses can be caused by the shrinking housing part on the mutual soldering surfaces, but in this case a structure is now created in which a substantial proportion of heat flow via an in their thickness reduced support plate compared to the solution according to FIG. 3 is reached.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist ein Trägerplattensystem benutzt, bei welchem nicht wie in F i g. 4 zwei Teile 1 a und 11 miteinander besonders verlötet sind, sondern wobei nunmehr die eigentliche Trägerplatte mit den an ihrer unteren Fläche vorgesehenen Stützkörpern bzw. den Schrumpfprozeß des Gehäuses behindernden Widerlagerkörpem als einheitlicher Körper hergestellt worden ist, Es entspricht bei dieser Ausführung der Trägerplattenteil IL b dem Trägerplattensystemanteil 1 a nach F i g. 4 bzw. 1 nach F i g. 3. Von einem mittleren unteren Flächenanteil von 1 b erstreckt sich in Richtung auf den Gehäuseteil 4 ein Stützkörper bzw. Widerlagerkörper 13, der dem Körper 11 nach F i g. 4 entspricht und in eine Aussparung 12a des Gehäuses 4 eingesetzt ist. Diesen Körper 13 umschließend, ist an dem plattenförmigen Anteil 1 b der Trägerplatte ein konzentrischer Ringteil 14 vorgesehen, der von der unteren Fläche von lb in Richtung auf das Gehäuse 4 auslädt und in eine Aussparung 15 des Gehäuseteiles 4 eingesetzt ist. Es ist zu erkennen, daß bei dem beim Ablauf des Verlötungsvorganges auftretenden Schrumpfungsprozeß von 4 der Anteil 4 a sich auf der Mantelfläche des Trägerplattenantells 1 b, der Teil 4 b des Gehäuses 4 sich mit der äußeren Mantelfläche der Aussparung 15 auf der äußeren Mantelfläche von 14 festspannen wird und ein innerer Körperanteil 4 c mit der inneren Mantelfläche der Aussparung 12a auf der äußeren Mantelfläche des Trägerplattenanteils 13 beim Schrumpfvorgang festspannen wird. In der F i g. 5 ist unterhalb des Trägerplattenanteils 13 wieder ein freier Raum 16 vorgesehen, indem die Aussparung 12 mit entsprechender Tiefe im Gehäuseteil 4 bemessen ist.In the embodiment according to FIG. 5 , a carrier plate system is used in which not as in FIG. 4 two parts 1 a and 11 are specially soldered to one another, but now the actual carrier plate with the support bodies provided on its lower surface or the abutment bodies hindering the shrinkage process of the housing has been produced as a unitary body, It corresponds in this embodiment to the carrier plate part IL b the carrier plate system portion 1 a according to FIG. 4 and 1 according to FIG. 3. From a middle lower surface portion of 1 b , a support body or abutment body 13 extends in the direction of the housing part 4, which supports the body 11 according to FIG. 4 corresponds and is inserted into a recess 12a of the housing 4. Enclosing this body 13 , a concentric ring part 14 is provided on the plate-shaped portion 1 b of the carrier plate, which protrudes from the lower surface of 1 b in the direction of the housing 4 and is inserted into a recess 15 of the housing part 4. It can be seen that during the shrinkage process of 4 occurring during the soldering process, the portion 4 a is on the outer surface of the carrier plate shell 1 b, the part 4 b of the housing 4 with the outer surface of the recess 15 on the outer surface of 14 will tighten and an inner body portion 4 c with the inner surface of the recess 12a on the outer surface of the support plate portion 13 is tighten during the shrinking process. In FIG. 5 , a free space 16 is again provided below the carrier plate portion 13 , in that the recess 12 is dimensioned with a corresponding depth in the housing part 4.

Die F i g. 6 veranschaulicht eine Lösung, wonach der Gehäuseteil 4 mit einer Mehrzahl von zueinander konzentrisch liegenden Aussparungen 16 bis 19 versehen ist für das Einsetzen von ringartigen, einander konzentrisch umschließenden Trägerplattenanteilen 20 bis 23, die an ihrer oberen Stimfläche sinngemäß wieder entsprechend der Lösung nach F i g. 4 durch Hartlötung mit dem relativ dünnen Trägerplattenanteil 1 b im Sinne von 1 a nach F i g. 4 verbunden sind. Für den gegenseitigen Verlötungsvorgang von 4 und des Trägerplattensystems können die Teile 20 bis 23 bereits in die Aussparungen an 4 eingesetzt sein, bevor auf den Boden der Aussparung des Gehäuseteiles die Trägerplatte 1 aufgesetzt wird, oder es können die Teile 1 und 20 bis 23 bereits vorher durch Hartlötung zu einer Einheit verbunden werden, welche als solche mit dem Körper 4 zusammengeführt wird, nachdem zwischen den entsprechenden gegenseitigen, zu verlötenden Flächen von 1 und 4 ein entsprechender Hartlotvorrat eingebracht worden ist.The F i g. 6 illustrates a solution according to which the housing part 4 is provided with a plurality of mutually concentrically located recesses 16 to 19, mutatis mutandis, in accordance with again for insertion of ring-like, mutually concentrically surrounding the support plate portions 20 to 23, the upper on its end face of the solution after F i g . 4 by brazing with the relatively thin carrier plate portion 1 b in the sense of 1 a according to FIG. 4 are connected. For the mutual soldering process of 4 and the carrier plate system, the parts 20 to 23 can already be inserted into the recesses at 4 before the carrier plate 1 is placed on the bottom of the recess of the housing part, or parts 1 and 20 to 23 can already be used beforehand be connected by brazing to form a unit, which is brought together as such with the body 4 after a corresponding supply of brazing material has been introduced between the corresponding mutual surfaces to be brazed from 1 and 4.

Dieser jeweilige Lotvorrat kann z. B. in Form einzelner Ringe oder folienartiger Platten eingebracht werden. Das Gehäuse, welches mit dem Trägerplattensystem durch Lötung verbunden wird, und in diesem sein Widerlager beim Schrumpfungsvorgang findet, kann in seiner Form gegossen werden, wobei dieser Vorgang ein Form- oder Schleudergießprozeß, gegebenenfalls mit entsprechender Nachbearbeitung, sein kann. Es kann aus einem vollen Körper gedreht, gefräst oder schließlich auch durch einen Schlagvorgang in seiner Form hergestellt werden. Was die Trägerplatte bzw. das Trägerplattensystem anbetrifft, so kann es sich als zweckmäßig erweisen, dieses als einen Sinterkörper, also durch eine Druck- und Wärmebehandlung einer in eine entsprechende Form eingebrachten Masse zu erzeugen.This respective solder supply can, for. B. in the form of individual rings or foil-like plates are introduced. The housing, which is connected to the carrier plate system is connected by soldering, and in this its abutment during the shrinking process finds, can be poured in its form, this process being a molding or Centrifugal casting process, possibly with appropriate post-processing, can be. It can be turned, milled or finally through a full body Impact process can be produced in its form. What the carrier plate or the carrier plate system is concerned, it may prove useful to use this as a sintered body, that is, by means of a pressure and heat treatment, one which has been brought into a corresponding shape To produce mass.

Claims

Claims: 1. Semiconductor arrangement, in particular for high power, in which a thin, disk-shaped semiconductor body is attached to a carrier plate, which consists of a metal whose thermal expansion coefficient corresponds at least approximately to that of the semiconductor body and in which the carrier plate is connected to another through a brazing layer Carrier body is connected to a thermal expansion coefficient which differs from that of the semiconductor body, characterized in that the carrier plate is seated in a recess adapted to the dimensions of the semiconductor body in such a way that the carrier plate on its outer surface of the further carrier body with a mechanical preload that persists even during operation is enclosed.

2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the carrier plate is supported by the bottom of the recess only in an edge zone as a result of an additional recess provided in the bottom of the recess of the further carrier body. 3. Semiconductor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier plate has one or more concentric grooves or ribs on its side facing away from the semiconductor body. 4. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bottom of the recess of the further carrier body has concentric ribs or grooves which are in mutual engagement with the concentric grooves or ribs of the carrier plate. 5. A semiconductor device according to spoke 1 or 2, characterized in that a further recess of smaller diameter is incorporated into the bottom of the recess of the further, carrier body and the carrier plate is correspondingly stepped. 6. Semiconductor arrangement according to claim 5, characterized in that the carrier plate consists of two parts which are connected to one another by brazing and have different diameters. 7. Semiconductor arrangement according spoke 5, characterized in that the carrier plate is made in one piece. 8. Semiconductor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier plate is designed as a sintered compact. 9. Semiconductor arrangement according spoke 1, characterized in that concentric rings of a thermal expansion coefficient which is at least approximately that of the carrier plate are embedded in the bottom of the recess of the further carrier body. 10. I-semiconductor arrangement according to claim 9, characterized in that the rings are soldered to the further carrier body. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1035 782, 1 050 913, 1098 103, 1106 878, 1151 324; French patent specification No. 1 244 077.