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Halbleiterbauelement Halbleiterbauelemente, die beispielsweise als
Leistungsgleichrichter im Kraftfahrzeug verwendet werden, müssen als Massenprodukte
möglichst billig hergestellt werden und trotzdem zuverlässig arbeiten. Derartige
Halbleiterbauelemente bestehen vielfach aus einem becherförmigen Gehäuseunterteil
aus Kupfer, auf dessen Boden auf einem Sockel ein scheibenförmiger Halbleiterkörper
gelagert ist. Da es sich herausgestellt hat, daß die elektrischen Eigenschaften
des Halbleiterbauelementes, insbesondere seine Sperreigenschaft, durch die beim
Löten entwickelte Wärme in unkontrollierbarer und nicht vorausbestimmbarer Weise
verändert werden, ist es bereits bekanntgeworden (österreichische Patentschrift
228 341), den Halbleiterkörper durch einen dauerhaften, lotfreien Druckkontakt mit
der Flachseite des Sockels am Innenboden im Gehäuseunterteil zu verbinden. In bekanntgewordenen
Halbleiterbauelementen ist daher der Halbleiterkörper zwischen dem Sockel auf dem
Innenboden des becherförmigen Gehäuseunterteiles und einem mit einem Anschlußkörper
verbundenen Druckstück gleitfähig gelagert. Der zum Herstellen des Druckkontaktes
durch Anpressen des Halbleiterkörpers gegen seine Lagerflächen erforderliche Druck
wird mit Hilfe einer Feder, beispielsweise mit einer sogenannten Sattelfeder, erzeugt,
die sich einerseits über einen Isolierkörper am Druckstück, andererseits am Deckel,
mit dem das Gehäuseunterteil verschlossen ist, oder an Ausladungen der inneren Mantelfläche
des Gehäuseunterteiles abstützt. Am Deckel ist eine isolierte Durchführung für den
Anschlußkörper angebracht. Ein derartiges Halbleiterbauelement wird in der Weise
verschlossen, daß der Deckel unter Anspannung der Feder auf den Rand des Gehäuseunterteiles
gedrückt wird und die Randteile sowohl des Deckels sowie auch des Gehäuseunterteiles
beispielsweise nach Umbördeln des Randteiles des Gehäuseunterteiles miteinander
verlötet werden. Anschließend wird noch der Anschlußkörper mit der Innenwand der
isolierten Durchführung, die aus einer in einem Isolierkörper angeordneten Metallhülse
besteht, z. B. durch eine gasdichte Lötstelle befestigt. Der Einbau des Halbleiterbauelements
erfolgt beispielsweise so, daß der bodennahe Bereich der äußeren Mantelfläche des
Gehäuseunterteiles in in einem Trägerkörper aus Aluminiumblech befindliche Durchzüge
eingepreßt wird.
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Versuche haben ergeben, daß der übergang des elektrischen Stromes
und auch der im Betriebszustand des Halbleiterbauelements entwickelten Wärme vom
Gehäuseunterteil an das Aluminiumblech im Laufe der Zeit verschlechtert wird. Weiterhin
haben Versuche gezeigt, daß der übergang des elektrischen Stromes und der Wärme
stabil bleibt, wenn die Härte des Kupfers, aus dem das Gehäuseunterteil besteht,
mindestens 70 kp/mm2 beträgt.
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Die Härte des Gehäuseunterteiles wird jedoch durch die beim Verschließen
des Halbleiterbauelementes, z. B. mittels eines Lötvorganges, auftretende Erwärmung
verringert. Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, das Halbleiterbauelement
dadurch zu verschließen, daß sein Deckel und sein Gehäuseunterteil sowie gegebenenfalls
auch der Anschlußkörper und die Metallhülse der isolierten Durchführung im Deckel
mit Hilfe eines genügend schnell verlaufenden Schweißvorganges miteinander verbunden
werden, in dessen Verlauf das gesamte Halbleiterbauelement nur auf eine Temperatur
erwärmt wird, die nicht sehr wesentlich über der Zimmertemperatur liegt und daher
keine schädigenden Einflüsse auf Halbleiterkörper und die Härte des Gehäuseunterteiles
hat.
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Von Vorteil ist es hierbei, wenn der Halbleiterkörper mit dem Boden
des Gehäuseunterteiles mittels eines Druckkontaktes verbunden wird, da dadurch anders
als beim Herstellen einer Lötverbindung eine Erwärmung des Gehäuseunterteiles vermieden
wird.
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Die Erfindung betrifft demgemäß ein Halbleiterbauelement mit einem
becherförmigen Gehäuseunterteil, das mit einem Deckel verschlossen ist und ein Mantelteil
aus Metall mit einer zum Strom-und/oder Wärmeübergang an einen Tragkörper ausgebildeten
äußeren Paßftäche aufweist, sowie mit einem im wesentlichen einkristallinen, wenigstens
einen pn-übergang aufweisenden Halbleiterkörper, der innerhalb des becherförmigen
Gehäuseunterteiles auf dem Innenboden desselben angeordnet ist. Dieses Halbleiterbauelement
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die einander berührenden Randteile
von Gehäuseunterteil und Deckel aus
Eisenringen bestehen, die miteinander
verschweißt sind, daß der Halbleiterkörper mit dem Innenboden des Gehäuseunterteiles
durch einen dauerhaften, lotfreien Druckkontakt verbunden ist und daß das metallene
Mantelteil wenigstens an der äußeren Paßfläche eine Härte von mindestens 70 kp/mm2
hat.
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Es ist zwar ein Halbleiterbauelement bekannt (britische Patentschrift
941640) mit einem becherförmigen Gehäuseunterteil aus Kupfer, welches mit einem
Deckel verschlossen ist. Die Randteile des Gehäuseunterteiles und des Deckels bestehen
aus Stahlringen, die miteinander verschweißt sind. Der Halbleiterkörper ist jedoch
mit dem Innenboden des Gehäuseunterteiles nicht durch eine lotfreie Druckkontaktverbindung,
sondern durch eine Lötverbindung verbunden. Wegen der beim Herstellen dieser Lötverbindung
erforderlichen Erwärmung hat das Mantelteil des Gehäuseunterteils auch nirgends
eine Härte von mindestens 70 kp/mm2.
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An Hand der Zeichnung seien die Erfindung und ihre Vorteile an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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In der Figur ist ein vergrößerter Schnitt durch ein Halbleiterbauelement
gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Halbleiterbauelement besteht aus dem becherförmigen
Gehäuseunterteil 1, das an der Außenfläche seines Bodenteiles nach innen durchgewölbt
und an seinem Mantelteil im bodennahen Bereich der äußeren Mantelfläche mit einer
Rändejung versehen ist, die aus parallel zu den Mantellinien verlaufenden Rippen
4 bestehen kann. Das Randteil des Gehäuseunterteiles 1 besteht aus einem Eisenring
17, der mittels einer Hartlatverbindung 18 nm' Gehäuseunterteil 1 befestigt ist.
Das becherföri_ige Gehäuseunterteilt. ist mit einem Decke116 ,verschlossen, der
aus einem Eisenring 16a als Randteil besteht, in dessen Offnung ein Glaskörper 1$
angeordnet ist. In dem Glaskörper 15 befindet sich eine zentrisch angeordnete Hülse
13 aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung mit dem gleichen Wärmeatasdehnungskoeffiziemen
wie der Glaskörper 15. Die Eisenringe 16r und 17, von denen einer ursprünglich mit
einer Schweißnase versehen war, sind miteinander verschweißt.
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Auf dem Boden 2 im Inneren des becherförmigen Gehäuseunterteiles 1
befindet .sich ein Sockel 6. Auf diesem Sockel 6 sind eine Zwischenplatte 8, z.13.
aus Silber, und ein scheibenförmiger Halbleiterkörper 7, z. B. ein Siliziumkörper
mit pn-Gbergang und vernickelten Flachseiten, gelagert. Auf der oberen Flachseite
des scheibenförmigen Halbleiterkörpers 7 liegt eine z. B. ebenfalls aus Silber bestehende
duktile Hilfsplatte 8a auf, die gegebenenfalls unmittelbar mit einem Druckstück
9, das mit einem Anschlußkörper 11 in Verbindung steht, durch Plattierung verbunden
sein kann. Das Druckstück 9 hat an seiner oberen Flachseite eine Aussparung
10. Auf dem Rand dieser Aussparung 10 ist ein am Anschlußkörper 11 befindliches,
beispielsweise durch Stauchen hergestelltes plattenför- i uriges Teil 12 aufgesetzt,
Der Durchmesser des Anschlußkörpers 11 ist zweckmäßig um einen gewissen Betrag
kleiner bemessen als der Durchmesser der Aussparung 10 am Druckstück 9. Der Anschlußkörper
11 ist durch die Hülse 13 geführt, die an der Stelle 13 a zusammengepreßt und mit
dem Anschlußkörper 11 urfiter Ausbildung einer gasdichten Verbindungsstelle verschweißt
ist. Auf der oberen Fläche des am Anschlußkörper 11 angeordneten plattenförmigen
Teiles 12 ruht ein becherförmiger Isolierkörper 21, vorzugsweise aus Keramik, der
das plattenförmige Teil 12, das Druckstück 9, den Halbleiterkörper 7 sowie einen
Teil des Sockels 6 umschließt, und durch dessen Boden der Anschlußkörper 11 durch
eine zentrisch angeordnete Öffnung geführt ist, An seiner in der Abbildung oberen
Fläche bzw. an der Außenfläche seines Bodens ist der Isolierkörper 21 mit einer
ringförmigen Erhebung 22 versehen, die in die zentrale öffnung 24 einer Sattelfeder
23 eingepaßt ist. Die Sattelfeder 23 stützt sich auf dem Isolierkörper 21 und mit
ihren beiden Außenschenkeln 25 und 26 gegen die Unterseite des Deckels 16 ab. Mit
Hilfe einer derartigen Sattelfeder wird genügend potentielle Energie gespeichert,
um einen ausreichend hohen Anpreßdruck zur Herstellung eines dauerhaften lotfreien
Druckkontaktes zwischen dem plattenförmigen Teil 12 und dem Druckstück 9, zwischen
dem Drückstück 9 und dem Halbleiterkörper 7, zwischen dem Halbleiterkörper 7 und
der duktilen Zwischenplatte ß sowie zwischen der duktilen Zwischenplatte $ und dem
Sockel 6 herzustellen.
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DasGehäuseunterteill des erfindungsgemäßenHalbleiterbauelementes kann
zweckmäßig unter Ausbildung seines endgültigen Profilee nach einem Fließ-Preß-Verfahren
durch Tiefziehen aus einer Kupfer-Scheibe hergestellt werden. Je nach der Ausgangshärte
der Kupferscheibe kann der Eisenring vor, während oder nach dem Fließ-Preß=Verfahren
an der Scheibe hart angelötet werden. Wesentlich ist, daß das Gehäuseunterteil 1.
nach Abschluß des jetztez, Arbeitsganges im bodennahen Bereich der äugeren Mantelfläche
seines Mantelteiles, d. h. wenigstens im der Mantelzone 5, die als Paßfläche zur
Stromoder/und Wärmeabfuhr an einem Trägerkörper aus= gebildet ist, eine Härte von
mindestens 70 kp/mm2 besitzt. Ist die Kupferscheibe verhältnismäßig weich, so wird
der Eisenring 17 zweckmäßig vor Beginn des Fließ-Preß-Verfahrens an der Scheibe
hart angelötet. Die infolge der Erwärmung während des Hartlöt.-vorgange5 zusätzlich
noch verlorengegangene Härte der Kupferscheibe wird durch die Verformungen während
der einzelnen Verfahrensschritte des anschließenden Fließ-Preß-Verfahrenswiederhergestellt
und auf den Wert von mindestens 70 kp/mm2 gemäß der Erfindung gebracht. Bei einer
besonders harten Kupferscheibe genügt es, wenn der Eisenring 17 zwischen zwei Verfahrensschritten
oder gar nach Beendigung des Fließ-Preß-Verfahrens an der Scheibe hart angelötet
wird. Im Anschluß hieran wird im bodennahen Bereich 3 der Mantelfläche des Gehäuseunterteiles
1 eine aus den Rippen 4 bestehende Rändelung eingeprägt.
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Der Zusammenbau des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes kann
in der Weise erfolgen, daß zunächst der mit dem Glaskörper 15 und der Hülse 13 versehene
Deckel 16 auf eine als Unterlage dienende Schweißelektrode aufgesetzt wird,
in der sich eine genügend große Aussparung befindet, in die die Hülse 13 elektrisch
isoliert eintauchen kann. Die Schweißelektrode kontaktiert das aus dem Eisenring
16a bestehende Randteil des Deckels 16 elektrisch leitend. Sodann wird die Sattelfeder
23 auf den Deckel 16 aufgelegt und anschließend der becherförmige Isolierkörper
21 mit der Offnung nach oben auf die Sattelfeder 23 aufgelagert. Zuvor sind
in
den becherförmigen Isolierkörper 21 der Anschlußkörper 11, das Druckstück 9, der
Halbleiterkörper 7, sowie die duktile Zwischenplatte 8 eingesetzt worden. Anschließend
wird das Gehäuseunterteil 1 auf den Isolierkörper 21 geschoben und das aus dem hart
angelöteten Eisenring 17 bestehende Randteil des Gehäuseunterteiles 1 mit dem aus
dem Eisenring 16 a bestehenden Randteil des Deckels 16 unter Druck bei gleichzeitiger
Anspannung der Sattelfeder 23 verschweißt. Der hierzu erforderliche Druck wird dadurch
erzeugt, daß ein gleichzeitig als zweite Schweißelektrode dienendes ringförmiges
Gegenlager auf die Absatzfläche la am Mantel des Gehäuses 1 gepreßt wird. Abschließend
wird die Hülse 13 an der Stelle 13 a eingedrückt und mit dem Anschlußkörper
11 gasdicht verschweißt. Beim Verschweißen der Eisenringe 16a und 17 muß
die Schweißleistung so gewählt werden, daß keine Veränderung der Härte im bodennahen
Bereich der äußeren Mantelfläche des Gehäuseunterteiles 1 infolge unzulässig hoher
Erwärmung des Halbleiterbauelements auftritt. Mit Hilfe der auf der Absatzfläche
1 a aufgelagerten Schweißelektrode kann das Gehäuseunterteil 1 insbesondere im bodennahen
Bereich seiner Mantelfläche gekühlt werden. Ein durch in dieser Schweißelektrode
gegebenenfalls befindliche Kühlkanäle geleitetes flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium
kann auch unmittelbar mit dem bodennahen Bereich 3 des Gehäuseunterteiles 1 zu Kühlzwecken
in Berührung kommen. Die Schweißleistung kann bei einer derartigen Fremdkühlung
entsprechend höher gewählt werden.