DE1282195B - Halbleiterbauelement mit gesinterter Traeger-Zwischenplatte - Google Patents

Halbleiterbauelement mit gesinterter Traeger-Zwischenplatte

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DE1282195B
DE1282195B DES84205A DES0084205A DE1282195B DE 1282195 B DE1282195 B DE 1282195B DE S84205 A DES84205 A DE S84205A DE S0084205 A DES0084205 A DE S0084205A DE 1282195 B DE1282195 B DE 1282195B
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Dr-Ing Reimer Emeis
Dr Horst Schreiner
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Siemens AG
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int.
HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
P 12 82 195.3-33 (S 84205)
16. März 1963
7. November 1968
Bei den bisher verwendeten Halbleiteranordnungen beträgt häufig der Isolierzwischenraum (Isolierabstand) zwischen der Austrittsstelle des pn-Uberganges an der Siliziumoberfläche des Gleichrichterelementes und der aufgesetzten Molybdänplatte nur etwa 1 mm. Bei hohen Spannungen, über 1000 V, besteht dabei die Gefahr eines Überschlages. Beim Ausgießen des Zwischenraumes mit einem härtbaren Isolierstoff besteht die Schwierigkeit, den engen Spalt porenfrei auszufüllen. *°
Es sind Halbleiterbauelemente bekannt, bei welchen zwischen einem einkristallinen Halbleiterkörper und einem Kontaktträger eine gesinterte poröse Zwischenplatte angeordnet ist.
Es sind ferner Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen der Querschnitt der Kontaktträger so profiliert ist, daß sie einen dem Halbleiterkörper zugekehrten Vorsprung von kleinerer Flächengröße als der Halbleiterkörper haben; nach der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite schließt sich ein breiterer aus- so ladender Teil an.
Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement, bei dem zwischen einem einkristallinen Halbleiterkörper und den Kontaktträgern mindestens eine gesinterte poröse Zwischenplatte angeordnet ist und das den bisher aus diesen Bauelementen hergestellten Halbleitern durch seine verhältnismäßig hohe Überschlagsspannung überlegen ist. Bei einem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung ist die Zwischenplatte in an sich bekannter Weise im Querschnitt profiliert und weist einen dem Halbleiterkörper zugekehrten, etwa kegelstumpfförmig ausgebildeten Vorsprung von kleinerer Flächengröße als der Halbleiterkörper auf, und diese Kontaktfläche zum Halbleiter trägt in an sich bekannter Weise eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht, insbesondere eine Nickelschicht bis zu etwa 30 μ Stärke.
Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung haben eine überraschend hohe Spannungsfestigkeit. Die Uberschlagsspannung ist höher als die DurchschlagsspannungdesHalbleiterkörpers. Überschläge durchSpitzenbildungen in den Diffusionsschichten treten nicht auf.
Die Figuren zeigen beispielhaft Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.
F i g. 1 zeigt ein Gleichrichterelement mit profilierter gesinterter Zwischenplatte gemäß der Erfindung;
F i g. 2 zeigt eine Druckkontaktzelle, bei der die erfindungsgemäße Lösung zweckmäßig angewandt werden kann;
F i g. 3 zeigt eine Scheibenzelle, bei der ebenfalls die erfindungsgemäße Lösung zweckmäßig angewandt werden kann.
Halbleiterbauelement
mit gesinterter Träger-Zwischenplatte
Anmelder:
Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Reimer Emeis, 8553 Ebermannstadt;
Dr. Horst Schreiner, 8500 Nürnberg
In der Fig. 1 ist mit 1 eine Si-Scheibe, mit 2 eine Au-Elektrode, mit 3 eine Al-Elektrode, mit 4 eine Trägerplatte, ζ. B. aus Molybdän, mit 6 eine profilierte gesinterte Zwischenplatte, die eine Ag-Auflage 5 trägt, bezeichnet. Die profilierte Zwischenplatte 6 besteht erfindungsgemäß überwiegend aus Molybdän oder Wolfram oder einem Gemisch beider Metalle, wobei ein Nickelzusatz zwischen 0,05 und 5% verwendet ist. Eine Variante ist es, auch die Trägerplatte 4, die mit Aluminium legiert ist, als gesinterte Platte auszuführen. Hierbei wird zweckmäßig ebenfalls ein Nickelzusatz vorgesehen, der zwischen 0,05 und 5%, vorzugsweise auf 1%, bemessen ist, Die Oberfläche dieser Trägerplatte (Sinterscheibe) 4 kann eine galvanische Schicht aus Nickel bis zu 30 μ Stärke tragen. Diese Schicht kann auch nach einem der bekannten Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. Aufdampfen. Die Oberflächen der Sinterplatten werden geschliffen und danach geläppt.
Der Kühlkörper der Halbleiteranordnung gemäß F i g. 2 besteht aus einem massiven Kupferklotz 12 mit einem Vorsprung 12 α, auf dem die Trägerplatte 4 der Halbleiteranordnung befestigt ist. Ein ringförmiger Steg 13 α dient zum Anbördeln eines Halteteiles 27. Der hochgezogene Rand 13 b des Kupferklotzes dient zum Anbördeln weiterer Gehäuseteile. Das Herzstück der Anordnung bildet ein Aggregat (Sandwich), das beispielsweise aus der Trägerplatte 4, einer anlegierten Halbleiterscheibe 1 und einer darauf befindlichen Elektrode 2 bestehen und wie folgt hergestellt sein kann:
Auf eine Molybdänplatte von etwa 22 mm Durchmesser wird eine Aluminuimplatte von etwa 19 mm Durchmesser aufgelegt. Auf diese Aluminiumplatte wird ein einkristallines Plättchen aus p-leitendem SiIi-
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3 4
zium mit einem spezifischen Widerstand von etwa Wie Fig. 2 zeigt, ergibt sich ein sehr gedrängter
1000 Ohm cm und einem Durchmesser von etwa Aufbau, bei dem alle Teile in ihrer genauen Lage
18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine Goldfolie mit zueinander festgehalten werden und demzufolge we-
etwa 0,5% Antimongehalt, die einen kleineren der durch mechanische Erschütterung noch durch
Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe 5 Wärmebewegungen verschoben werden können. Eine
aufweist. Das Ganze wird in ein mit diesen Mate- wichtige Rolle übernimmt hierbei die Glimmerscheibe
rialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, 22, welche sowohl zur elektrischen Isolierung des
beispielsweise Graphitpulver, eingepreßt und auf Halteteiles 27 von der Oberseite der Halbleiteran-
etwa 800° C unter Anwendung von Druck erhitzt. Ordnung dient als auch zur Zentrierung des Bolzens
Diese Erwärmung kann beispielsweise in einem Le- io 18. Zu diesem Zweck liegt der äußere Rand der
gierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert Glimmerscheibe 22 an der zylindrischen Innenwand
bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist. Nach dem Er- des Halteteiles 27 an, während ihr innerer Rand den
kalten werden die beiden Flachseiten des Aggregats Kupferbolzen 18 berührt.
mit einem Schleifmittel von passender Feinkörnigkeit Schließlich ist ein glockenförmiger Gehäuseteil, plangeläppt und dann von den Läppmittelresten ge- 15 welcher aus den Einzelteilen 28, 29, 30 und 31 bereinigt. Hierauf folgt eine Schlußätzung der freien steht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An sei-Halbleiteroberfläche, an welcher der äußere Rand des nem unteren Ende ist der Teil 28 mit Hilfe des Ranpn-Uberganges auftaucht. Reste des Ätzmittels kön- des 13 & angebördelt, während der Kupferbolzen 18 nen mit destilliertem Wasser abgespült werden. Vor- durch eine Anquetschung mit dem Teil 31 verbunden teilhaft schließt sich ein Oxydationsprozeß an, z. B. ao wird. Der Teil 31 kann beispielsweise aus Kupfer benach der deutschen Auslegeschrift 1093 910 oder stehen, während die Teile 28 und 30 aus Stahl oder durch eine Spülung mit einer etwa zehnfachen oder einer Fernico-Legierung wie Kovar oder Vacon benoch höheren Verdünnung des vorher benutzten stehen können. Die Teile 30 und 31 sind miteinander chemischen Ätzmittels oder dadurch, daß das verlötet oder verschweißt. Der Teil 29, welcher Aggregat einige Minuten lang einer mit Dampf 35 zweckmäßig aus Keramik besteht, dient zur Isolievon diesem Ätzmittel versetzten Atmosphäre aus- rung. Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teigesetzt wird. len 28 und 30 zusammenstößt, metallisiert, so daß
Nach Fig. 2 ruht die Trägerplatte 4 auf dem Vor- diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden
sprung 12 α des Kühlkörpers 12 mit einer dicken SiI- können. Ein Kabel 32 ist in den Teil 31 von außen
berschicht 17, beispielsweise einer Folie von 100 bis 30 eingeschoben und ebenfalls durch Anquetschung mit
200 μ Stärke als Zwischenlage. diesem verbunden.
Die Silberfolie 17 kann auf beiden Seiten mit Selbstverständlich kann das aus dem Halbleitereinem erhabenen Muster versehen sein, z. B. einem körper mit einlegierten Elektroden und anlegierter Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändel- Trägerplatte bestehende Aggregat auch einen anschrauben. Nach einer bevorzugten Ausführungsform 35 deren als den beschriebenen Aufbau aufweisen. Es ist diese Silberfolie ausgeglüht und anschließend ge- kann sich also beispielsweise um einen Halbleiterätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich körper aus Germanium handeln, in den z. B. Elekein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt. troden aus Indium bzw. Blei—Arsen einlegiert wur-
Auf die Oberseite der Halbleiteranordnung, also den. Die Trägerplatte kann beispielsweise aus gedie Elektrode 2, die beispielsweise aus einem Gold- 40 wissen hochlegierten Stahlsorten, insbesondere mit Silizium-Eutektikum besteht, ist ein stempeiförmiger Nickel- und Kobaltgehalt bestehen, welche einen Teil aufgesetzt. Dieser stempelförmige Teil ist zweck- ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsmäßig ebenfalls vor dem Zusammenbau aus einzel- weise Germanium oder Silizium, aufweisen. Der nen Teilen zusammengesetzt, nämlich aus einem Halbleiterkörper kann auch aus Siliziumkarbid be-Kupferbolzen 18, einer aus Kupfer bestehenden 45 stehen oder aus einer intermetallischen Verbindung Kreisringscheibe 19 und einer profilierten gesinterten von Elementen der III. und V. oder der II. und Zwischenplatte 6. Diese Teile sind beispielsweise mit- VI. Gruppe des Periodischen Systems. Geeignete einander hart verlötet. Die Unterseite der Zwischen- Elektrodenmetalle hierfür und passende Metalle für platte 6 ist vorteilhaft mit einer Silberauflage 2 ver- Trägerplatten für die genannten Halbleitermaterialien sehen, z. B. plattiert, und danach plangeläppt. Zwi- 50 sind an sich bekannt oder können nach bekannten sehen dieser Silberauflage und der goldhaltigen Elek- Richtlinien ausgewählt werden,
trode 2 entsteht durch die Betriebswärme, welche an Eine wichtige Eigenschaft der beschriebenen Ander Berührungsfläche eine teilweise, wechselseitige Ordnung ist darin zu sehen, daß das aus dem HaIb-Eindiffusion von Silber- und Goldteilchen hervorruft, leiterkörper mit einlegierten Elektroden und Trägereine feste Verbindung. Eine solche kann auch schon 55 bzw. Anschlußplatten bestehende Aggregat auch gebei der Herstellung durch mäßige Erwärmung der gebenenfalls umgekehrt wie in dem ausgeführten Beiaufeinandergepreßten Teile auf eine Temperatur von spiel in das Gehäuse eingebaut werden kann. Es könbeispielsweise 200 bis 250° C während weniger Stun- nen also auf diese Weise Halbleiterdioden unterden hervorgerufen werden. schiedlicher Polarität mit vollkommen gleichem
Auf diesen stempeiförmigen Teil sind beispiels- 60 äußerem Aufbau, mit übereinstimmenden Charakte-
weise eine Glimmerscheibe 22, eine Stahlplatte 23 ristiken und auch mit ähnlichem Innenaufbau her-
und drei Tellerfedern 24, 25 und 26 aufgeschoben. gestellt werden.
Zuletzt ist ein glockenförmiger Halteteil 27 über den In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der
Kupferbolzen 18 geschoben. Dieser hat unten einen Halbleiterkörper wieder mit 1 bezeichnet. Die Teile 2
kreisringförmigen Flansch, der mit Hilfe des Steges 65 bis 6 entsprechen denen der Fig. 1. Die scheibenför-
13 a angebördelt ist. Der obere Rand des Halteteiles migen Teile 35 bzw. 36 sind in ihrer Dicke derart
27 ist nach innen gezogen und bildet das Widerlager bemessen, daß sie ein membranartiges Verhalten zwi-
für die Tellerfedern. sehen ihrem freien Rand und denjenigen Flächen-
teilen aufweisen, an denen die Trägerplatten 4 bzw. 6 befestigt sind. Jede dieser Scheiben 35 bzw. 36 ist über ihren äußeren Rand z. B. durch einen Hartlötprozeß mit dem Isoliermaterialkörper 37 verbunden. Der Vorteil der profilierten gesinterten Zwischenplatte ist aus dieser Figur besonders klar ersichtlich. Bei dieser Ausführung bestehen in vorteilhafter Weise sowohl die das eigentliche Halbleiterelement umschließenden Gehäuseteile als auch die in diese eingeschlossenen Teile aus Werkstoffen von etwa gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten.
Zur Herstellung der Einsätze in die in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Gleichrichterelemente werden noch zwei Beispiele angegeben.
Beispiel 1
Auf eine Trägerplatte 4 nach Fig. 1 mit dem Durchmesser 20 mm wird eine Elektrode 3 vom Durchmesser 19 mm aus Al und eine Si-Scheibe 1 vom Durchmesser 18 mm und darauf eine Au-Sb- ao Folie 2 (Elektrode) vom Durchmesser 14 mm gelegt. Das System wird nach den bekannten Legierungsverfahren bei etwa 800° C unter leichtem Druck legiert. Diese Halbleiteranordnung wird nach dem Läppen und Ätzen der Oberfläche mit der Au-Elektrode auf as die geläppte Silberoberfläche 5 der profilierten gesinterten Zwischenplatte 6 gemäß der Erfindung gedrückt. Die Ag-Auflage befindet sich auf dem erhabenen, z. B. kegelstumpfförmigen Teil der Sinterplatte. Die angegebene Form der Sinterplatte ergibt eine optimale Wärmeabfuhr. Der nach Einsetzen des Gleichrichtersatzes vorbleibende Zwischenraum zwischen den zwei Platten 4 und 6 braucht bei der angegebenen Form nicht ausgefüllt zu werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenraum mit einem Oberflächenlack überdeckt oder der Zwischenraum völlig mit einem Isolierstoff in Form eines härtbaren, mit Füllstoff versetzten Kunststoffes ausgegossen. Die Ag-Auflage 5 auf der profilierten Zwischenplatte kann auch durch eine Schicht aus Gold, Kupfer, Nickel oder einem mit Gold legierbaren Metall ersetzt werden. Die beiden Kontaktflächen 7 und 8 sind geläppt, die Platten 4 und 6 bestehen aus Molybdän und/oder Wolfram, wobei der Nickelgehalt zwischen 0,2 und 3 °/o liegt. Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kann die profilierte gesinterte Zwischenplatte 6 bzw. die Trägerplatte 4 auch einen Zusatz bis 50 Gewichtsprozent Silber erhalten.
50 Beispiel 2
Auf eine gesinterte Zwischenplatte 4 (vgl. F i g. 1), bestehend aus 99% Molybdän und l°/o Nickel vom Durchmesser 20 mm und einer Stärke von etwa 2 mm wird eine Al-Elektrode 3 mit dem Durchmesser 19 mm, darauf eine Si-Scheibe 1 mit dem Durchmesser 18 mm und darauf eine Au-Sb-Folie 2 (Elektrode) mit dem Durchmesser 14 mm gelegt. Dieser geschichtete Aufbau wird unter leichtem Druck bei 800° C legiert. Die Weiterverarbeitung erfolgt wie im Beispiel 1.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement, bei dem zwischen einem einkristallinen Halbleiterkörper und den Kontaktträgem mindestens eine gesinterte poröse Zwischenplatte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zwischenplatte in an sich bekannter Weise im Querschnitt profiliert ist und einen dem Halbleiterkörper zugekehrten etwa kegelstumpfförmig ausgebildeten Vorsprung von kleinerer Flächengröße als der Halbleiterkörper aufweist und diese Kontaktfläche zum Halbleiter in an sich bekannter Weise eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht, insbesondere eine Nickelschicht bis zu etwa 30 μ Stärke trägt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kegelförmigen Übergang zwischen dem Vorsprung und dem ausladenden Teil.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausladende Teil dieselbe Flächengröße hat wie eine auf der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers angebrachte, mindestens teilweise aus Mo bestehende Grundplatte.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte aus Molybdän und/oder Wolfram mit einem Nickelzusatz zwischen 0,05 und 5% besteht.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht, insbesondere eine Nikkeischicht bis zu etwa 30 μ Stärke, trägt.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Raumes zwischen Zwischenplatte und Gehäuse mit einem Oberflächenlack abgedeckt ist.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mit einem Isolierstoff in Form eines härtbaren, gegebenenfalls mit Füllstoff versetzten Kunststoffes ausgegossen ist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Gleichrichterelement ausgebildet ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper ein Siliziumkörper vorgesehen ist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatten geschliffen und geläppt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1121 226,
1126516, 1136 016;
österreichische Patentschrift Nr. 190 593;
französische Patentschrift Nr. 1284 882.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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