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Halbleiterbauelement Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement
mit im wesentlichen symmetrischem mechanischem Aufbau aus einem scheibenförmigen,
einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere mit einlegierten Elektroden, und
auf beiden Flachseiten aufgebrachten metallenen Trägerplatten, insbesondere aus
Molybdän, sowie einer isolierenden Vergußmasse in einem durch über den Rand des
scheibenförmigen Halbleiterkörpers hinausragende Teile der Trägerplatten gebildeten
Ringspalt.
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Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen bekannt,
bei dem auf die beiden Flachseiten eines scheibenförmigen Halbleiterkörpers Legierungselektroden,
z. B. aus Gold bzw. Aluminium, aufgebracht werden, wobei ein Kompensator an die
Legierungselektrode angeschmolzen wird, welcher wenigstens ebenso groß ist wie die
Legierungsfläche mit dem Halbleiterkörper und höchstens den doppelten Ausdehnungskoeffizienten
wie der Halbleiterkörper aufweist. Als derartige Kompensatoren bzw. Trägerplatten
sind in Verbindung mit Halbleiterkörpern aus Germanium und Silizium insbesondere
Platten aus Chrom, Molybdän und Wolfram geeignet (vgl. deutsche Auslegeschrift 1018
557). Das nach dem bekannten Verfahren hergestellte Halbleiterbauelement ist elektrisch
unsymmetrisch und mechanisch weitgehend symmetrisch.
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Ferner ist ein Transistor, insbesondere Unipolartransistor, mit einem
ebenen Halbleiterkörper bekannt, auf dessen Oberfläche sich halbleitende, zylindrische
Zähne befinden. An jedem Zahnende und gegenüber auf der ebenen Fläche des Halbleiterkörpers
in der Achse jedes Zahnes ist ein ohmscher Kontakt angebracht. Der so vorbereitete
Halbleiterkörper wird beidseitig mit Elektroden aus Nickel oder Bronze versehen.
Die Elektroden gehen in Kühlfahnen über, die seitlich über den Rand des Halbleiterkörpers
vorstehen. Ein Teil des Raumes zwischen den Kühlfahnen wird mit einer Isoliermasse,
beispielsweise Polyäthylen, ausgefüllt (vgl. deutsche Auslegeschrift 1080 696).
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Außerdem ist ein Verfahren zum Herstellen von Flächengleichrichtern
und Flächentransistoren nach dem Halbleiter-Diffusionsverfahren bekannt. Hierbei
wird ein Teil der Halbleiteroberfläche mit einem Überzug aus Siliziumdioxyd versehen.
Auf die freien Oberflächenteile des Halbleiterkörpers werden Aktivatorkörper aufgelegt,
an die je ein metallischer Begrenzungskörper anschließt. Zwischen dem Halbleiterkörper
und den Begrenzungskörpern sind Abstandshalter vorgesehen; die eine zu starke Verformung
der Aktivatorkörper verhindern. Der Halbleiterkörper und die Begrenzungskörper werden
von einem Kunststoffkörper umschlossen. Falls der eine Begrenzungskörper becherförmig
ausgebildet ist, so wird dieser mit Kunststoff ausgefüllt (vgl. deutsche Auslegeschrift
R 13 270 VIII c/21 g).
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Die Erfindung sucht derartige Halbleiterbauelemente zu verbessern.
Insbesondere soll der Kriechweg zwischen den Trägerplatten bzw. zwischen den Elektroden
vergrößert werden.
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Dies wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein aus festem Isolierstoff bestehendes ringförmiges
Teil, dessen Außendurchmesser größer als der Durchmesser der Trägerplatten ist,
mit der Vergußmasse verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Halbleiterbauelements gestattet eine
Oberflächenbehandlung des Halbleiterkörpers nach dem Anbringen der Elektroden durch
Ätzen, anodische Oxydation od. dgl., wodurch die Sperreigenschaften der pn-Übergänge
an den Stellen, an denen sie an die Oberfläche des Halbleiterkörpers treten, wesentlich
verbessert werden. Außerdem wird durch das aus festem Isolierstoff bestehende ringförmige
Teil der Kriechweg zwischen den Elektroden vergrößert, so daß ein Durchschlagen
des Ringspaltes sicher verhindert wird.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, aus denen weitere Einzelheiten
und Vorteile hervorgehen, wird die Erfindung näher erläutert.
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Die F i g. 1 und 2 zweigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines
Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung.
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Das aus Trägerplatte 2, Halbleiterkörper 4 und einlegierten Elektroden
3, 5 bestehende Aggregat gemäß F i g. 1 kann beispielsweise in folgender Weise hergestellt
werden: Auf eine Molybdänscheibe 2 von etwa 22 mm Durchmesser und 2 mm Dicke wird
eine Aluminiumscheibe 3 von etwa 19 mm Durchmesser und 0,06 mm
Dicke
aufgelegt. Auf diese Aluminiumscheibe wird ein Plättchen 4 aus p-leitendem Silizium
mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm - cm, einer Dicke von etwa 0,3
mm nach dem Ätzen und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine
Gold-Antimon-Folie, die einen kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe
aufweist und etwa 0,08 mm dick ist. Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien
nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepreßt
und auf etwa 800° C unter Anwendung von Druck erhitzt. Diese Erwärmung kann beispielsweise
in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas
gefüllt ist.
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In F i g. 1 ist eine weitere Trägerplatte 6 dargestellt, welche die
gleiche Flächengröße und zweckmäßigerweise auch die gleiche Dicke wie die Trägerplatte
2 aufweist und beispielsweise ebenfalls aus Molybdän bestehen kann. Eine Silberfolie
7 von beispielsweise 0,1 mm Dicke kann auf die Flachseite der Trägerplatte 6, welche
dem Gold-Halbleiter-Eutektikum 5 zugewendet ist, aufgebracht, z. B. aufgewalzt oder
aufgelötet werden.
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Anschließend wird die Trägerplatte 6 mit der Silberschicht 7 auf das
Gold-Halbleiter-Eutektikum 5 aufgepreßt, z. B. mit einem Druck von 300 kg/cm2 und
das Ganze mehrere Stunden lang, z. B. 5 Stunden, auf einer Temperatur gehalten,
welche unterhalb der Schmelztemperatur des Gold-Halbleiter-Eutektikums liegt, beispielsweise
250° C. Zweckmäßigerweise werden vorher die einander berührenden Flächen der Silberschicht
und des Eutektikums plangeläppt, damit sie einander großflächig berühren. Nach der
Beendigung dieses Erwärmungsvorganges sind die Silberschicht und das Eutektikum
fest miteinander verbunden, was auf Diffusions- bzw. Sintervorgänge zurückzuführen
ist. Druck, Temperatur und Zeitdauer des Erwärmungsvorganges können in verhältnismäßig
weiten Grenzen verändert werden. Dies liegt daran, daß eine Diffusion von Silber
in das Gold-Halbleiter-Eutektikum bzw. von Gold in das Silber bei höheren Temperaturen
in einem längeren Zeitraum auch noch in ausreichendem Maße erfolgt. Als technisch
brauchbare Grenzen haben sich 200 bis 300° C erwiesen. Bei niedrigen Temperaturen
dauert die Erwärmungsbehandlung zu lang oder zeigt ungenügende Ergebnisse, bei höheren
Temperaturen tritt gegebenenfalls unbeabsichtigt durch Schmelzpunkterniedrigung
infolge des angewandten Druckes zunächst an wenigen Stellen ein Schmelzen des Gold-Halbleiter-Eutektikums
auf.
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Das aus den Teilen 2 bis 5 bestehende Aggregat kann vor dem Aufbringen
der Teile 6 und 7 zweckmäßig behandelt werden, beispielsweise auf der Oberfläche
des freiliegenden Halbleitermaterials geätzt werden. Diese Ätzung wird zweckmäßigerweise
auf einer sogenannten Ätzschleuder durchgeführt, auf welcher das Aggregat um seine
Symmetrieachse gedreht wird, während ein Strahl einer Ätzflüssigkeit auf die Halbleiteroberfläche
geleitet wird. Ein nachfolgender Strahl einer Neutralisierungs- bzw. Verdünnungsflüssigkeit,
z. B. von destilliertem Wasser, beendet den Ätzangriff in kurzer Zeit, so daß weitere
Teile, insbesondere die Trägerplatte, durch die Ätzflüssigkeit nicht angegriffen
werden.
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Nach dem Ätzen kann die so behandelte Halbleiteroberfläche mit einem
Schutzlack, beispielsweise einem Silikonlack mit einem Alizarinzusatz, bedeckt werden.
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Das Gold-Halbleiter-Eutektikum, welches ein wenig über die Halbleiteroberfläche
hervorragt, wird durch den Ätzvorgang mit seiner oberen Ebene noch weiter von der
Ebene der Halbleiteroberfläche entfernt. Nach der Herstellung des mechanisch symmetrischen
Halbleiterbauelements in der beschriebenen Weise wird der Ringspalt zwischen den
beiden Trägerplatten mit einem Isolierstoff, beispielsweise mit einem Gießharz 8,
so ausgefüllt, daß der Isolierstoff über den äußeren Rand der Trägerplatte hinausragt.
Hierdurch ist der Halbleiterkörper vor mechanischen und anderen Angriffen sicher
geschützt und auch die mechanische Festigkeit der gesamten Anordnung verstärkt.
Der Isolierstoff verhindert außerdem ein elektrisches Durchschlagen des Ringspaltes
bzw. einen elektrischen Überschlag zwischen den beiden Trägerplatten.
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Vorteilhaft wird in die Silberschicht 7 vor dem Läppen ein erhabenes
Muster, z. B. ein Waffelmuster, eingepreßt. Die erhabenen Teile des Musters werden
durch den Läppvorgang in eine Ebene gebracht. Die vertieften Teile bilden nach dem
Zusammenpressen der Silberschicht 7 mit dem Eutektikum 5 ein feines Kanalsystem,
welches beim Vergießen mit Gießharz sich ebenfalls mit Gießharz füllt. Das Gießharz
kann also auch zum Wärmeübergang zwischen den beiden Teilen beitragen, insbesondere,
wenn ihm ein Füllstoff, z. B. Quarzmehl, zugesetzt ist. Zweckmäßig wird das Gießharz
bei erhöhter Temperatur, z. B. 150 bis 200° C, ausgehärtet.
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Um den äußeren Kriechweg zwischen den beiden Trägerplatten 2 und 6
zu vergrößern, wird in den Ringspalt eine Ringscheibe 9, die beispielsweise aus
Glimmer bestehen kann, eingelegt. Der innere Durchmesser dieser Kreisringscheibe
wird zweckmäßigerweise so bemessen, daß er ein wenig größer als der Durchmesser
der Halbleiterscheibe 4 ist, während der äußere Durchmesser der Kreisringscheibe
9 wesentlich größer als der Durchmesser der Trägerplatten bemessen wird.
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Mit Halbleiterbauelementen, welche nach dem im Beispiel dargestellten
Verfahren hergestellt werden, wurden Sperrspannungen mit Scheitelwerten von über
1000 Volt erreicht.
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In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements dargestellt. In diesem Falle ist ein Hohlzylinder 10, welcher
z. B. aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann, außen um den Ringspalt angebracht.
Zweckmäßigerweise wird die Höhe dieser Keramikhülse derart bemessen, daß sie mit
der Höhe der fertigen Halbleiteranordnung einschließlich Trägerplatte übereinstimmt.
Bei kreisringförmigem Querschnitt des Halbleiterbauelements besteht diese Keramikhülse
aus einem Hohlzylinder, im Falle einer anderen Querschnittsform des Halbleiterbauelements
muß der Querschnitt der Keramikhülse entsprechend angepaßt sein.
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Das keramische Material der Hülse 10 wird so gewählt, daß es den gleichen
Ausdehnungskoeffizienten wie Molybdän besitzt. Die Keramikhülse ist wasserdicht.
Hierdurch erreicht man, daß nicht nur der elektrische Kriechweg zwischen den beiden
Trägerplatten 2 und 6 erheblich vergrößert wird, sondern daß auch Feuchtigkeit,
welche gegebenenfalls in den Isolierstoff 8 eindringen kann, einen sehr langen Weg
von den Eindringstellen bis zu dem Halbleiterkörper 4
vorfindet.
Die verwendeten Gießharze lassen die Feuchtigkeit nur in sehr geringem Maße und
in sehr langen Zeiten eindringen. Eine Vergrößerung des durch die Feuchtigkeit zu
überwindenden Weges ist aber dennoch erwünscht, damit während der Fertigung eine
einfache Behandlung zugelassen werden kann. Nach der Herstellung der erfindungsgemäßen
Halbleiterelemente werden diese in Gehäuse eingesetzt, welche entweder evakuiert
bzw. mit trockenem Stickstoff gefüllt werden, so daß nach der Kapselung die Gefahr
des Eindringens von Feuchtigkeit weiter vermindert ist.
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Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung weist den weiteren Vorteil
auf, daß beim Herstellen gekapselter Gleichrichter auf einfache Weise Gleichrichter
mit unterschiedlicher Durchlaßrichtung, aber gleichem äußerem Aufbau gefertigt werden
können. Da der mechanische Aufbau vollkommen symmetrisch ist, braucht ein derartiges
Gleichrichterelement lediglich einmal mit der Trägerplatte 6 und das andere Mal
mit der Trägerplatte 2 auf den Boden der Gehäusekapsel aufgebracht zu werden.
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Die Trägerplatten können an ihrer Außenseite vorher beispielsweise
mit einer Silberschicht versehen werden, wodurch sie sich leicht an Kühlkörper bzw.
Stromzu- und -abführungen anlöten lassen. Die Halbleiterbauelemente können auch
lediglich durch Flächenpressung zwischen zwei Druckteilen, welche gleichzeitig als
Stromzuführung bzw. -abführung dienen, innerhalb einer Gehäusekapsel befestigt werden.