DE1279200B - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE1279200B
DE1279200B DES93989A DES0093989A DE1279200B DE 1279200 B DE1279200 B DE 1279200B DE S93989 A DES93989 A DE S93989A DE S0093989 A DES0093989 A DE S0093989A DE 1279200 B DE1279200 B DE 1279200B
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DE
Germany
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housing
semiconductor
cup
semiconductor component
shaped
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DES93989A
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English (en)
Inventor
Dipl-Phys Erich Nitsche
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/12Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1203Rectifying Diode
    • H01L2924/12036PN diode

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  • Computer Hardware Design (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An Hand der Zeichnung seien die Erfindung und ihre Vorteile an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Halbleiterbauelement mit .einem becherförmigem Gehäuseunterteil, das mit einem Deckel verschlossen ist und ein Mantelteil aus Metall mit einer zum Strom- oder/und Wärmeübergang an einen Trägerkörper ausgebildeten äußeren Paßfläche aufweist sowie mit einem im wesentlichen einkristallinen, wenigstens einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiterkörper, der innerhalb des becherförmigen Gehäuseunterteiles auf dem Innenboden desselben angeordnet ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die einander berührenden Randteile von Gehäuseunterteil und Dekkel 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. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 941640; belgische Patentschriften Nr. 624 264, 620 067; österreichische Patentschrift Nr. 228 341; USA.-Patentschrift Nr. 2 956 214.
DES93989A 1964-10-31 1964-10-31 Halbleiterbauelement Pending DE1279200B (de)

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