DE1514393C - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen müssen im allgemeinen Teile mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dicht miteinander verbunden werden. Die Verbindung dieser Teile darf auch durch häufige Last- und damit verbundene Temperaturwechsel nicht zerstört werden.

Aus der französischen Patentschrift 1 160 488 ist bereits ein Halbleiterbauelement bekanntgeworden, dessen Gehäuse zwei aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehende Ringe, einen Glasring und eine Kupferplatte aufweist. Da der Glasring und die genannten Metall ringe in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, ist die Verbindung zwischen diesen Teilen problemlos. Ein Ring der genannten Art ist mit der Kupferplatte verlötet. Die Lötstelle wird bei Temperaturwechseln auf Scherung beansprucht Dies kann im Dauerbetrieb zur Zerstörung der Lötstellen führen.

Im Hauptpatent 1248 814 ist ein Halbleiterbauelement mit einem aus einem Isolierring und aus zwei mit dem Isolierring über Zwischenglieder verbundenen massiven metallischen Anschlußelektrodenkörpern bestehenden Gehäuse vorgeschlagen worden. Das Gehäuse weist im Querschnitt winkelförmige metallische Ringe auf, die mit dem einen Schenkel jeweils mit der Außenmantelfläche des Isolierringes gasdicht verbunden und über den anderen sich vom Isolierring weg erstreckenden Schenkel jeweils mit einem weiteren metallischen Ring von winkelförmigem Querschnitt verbunden sind. Dabei wird der eine Schenkel der weiteren metallischen Ringe über die Stirnflächen des Isolierringes frei hinweggeführt, wobei sich der andere Schenkel in das Innere des Gehäuses erstreckt. Diese Schenkel sind mit der äußeren Mantelfläche der Anschlußelektrodenkörper hart verlötet; das Halbleiterelement ist zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen dieser Anschlußelektrodenkörper gleitfähig gelagert.

Die beim Halbleiterbauelement gemäß dem Haupt patent vorgesehenen Lötstellen werden nicht au Scherung, sondern nur auf Druck !xsansprucht. Dis.

Lötstellen sind daher mechanisch widerstandsfähige;· Die vorliegende Erfindung bezieht sich ciursinac;:·

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Isolierring über Zwischenglieder verbundenen massiven metallischen Anschlußelektrodenkörperii bestehenden Gehäuse, bei dem ini Querschnitt winkelförmige metallische Ringe jeweils mit einem Schenkel mit der Außenmantelfläche des Isolierringes gasdicht verbunden sind und über den anderen sich vom Isolierring weg erstreckenden Schenkel jeweils mit einem weiteren metallischen Ring von winkelförmigem Querschnitt derart verbunden sind, daß der eine Schenkel der Weiteren Ringe über die Stirnflächen des Isolierringes frei hinweg führt und der andere Schenkel sich in das Innere des Gehäuses erstreckt, wobei die sich in das Innere des Gehäuses erstreckenden Schenkel mit der äußeren Mantelfläche des Anschlußelektrodenkörpers hart verlötet sind, und bei dem das Halbleiterelement zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Anschlußelektrodenkörper gleitfähig gelagert ist.

Die Erfindung bezweckt eine Weiterbildung des Halbleiterbauelementes nach dem Häuptpatent,

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem jeweiligen Anschlußelektrodenkörper verbundenen Ringe aus einem dem Material des Isolierringes bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten besser als das gut wärme- und stromleitende Metall der Anschlüßelektrodenkörper angepaßten Metall bestehen und mindestens eine rillenförmige Einbuchtung aufweisen, wobei die der Achse des Halbleiterbauelementes am nächsten liegende Wand der Einbuchtung parallel oder nur wenig geneigt zur Achse des Halbleiterbauelementes ist und in einer am jeweiligen Anschlußelektrodenkörper angebrachten· kreisförmigen Lötkerbe mit zur Achse des Halbleiterbäuelementes parallelen oder wenig geneigten Wänden hart angelötet ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 054 589 ist es an sich bekannt, in mindestens einem massiven Gehäuseteil einer Halbleiteranordnung eine ringförmige Lötkerbe vorzusehen. In diese Lötkerbe wird zum Zusammenbau des Gehäuses flüssiges Lot gefüllt, in das ein im wesentlichen ringförmiges Gehäuseteil, das gleichfalls eine rillenförmige Einbuchtung aufweisen kann, hineinragt. Diese Maßnahme hat den Zweck, die beim Löten entstehenden Gase nicht in das Innere des Gehäuses eindringen zu lassen; dagegen ist die dem Anmeldungsgegehständ zugrunde liegende Problemstellung der genannten deutschen Auslegeschrift nicht explizite zu entnehmen. Auch aus der deutschen Ausiegeschrift 1 185 728 sind Halbleiterbauelemente bekannt, deren Gehäuse ringförmige, mit den Anschlußelektrödeökörpern verlötete Metallteile und einen isolierring aufweist. Die bei der Verbindung dieser Teile auf Grund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auftretenden Probleme sind dieser deutschen Auslegeschrift jedoch gleichfalls nicht zu entnehmen.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Gleichrichter,

F i g. 2 einen teilweisen Schnitt durch einen Thyristor und

F i g. 3 einen Schnitt durch einen Spannrahmen, in dem das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zwischen zwei Kühlkörpern gelagert ist.

Das Gehäuse des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1 besteht aus einem Isolierring 8, z. B. aus Keramik, und aus metallenen stirnseitig angebrachten Abschlußwänden. Diese Abschlußwähde setzen sich zusammen aus je einem plattenartigen Anschlußelektrodenkörper 12, z. B. aus Kupfer, und einem diesen Anschlußelektrodenkörper umfassenden Ring 10, der eine geringere Wandstärke als der Anschlußelektrodenkörper 12 hat und aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung besteht. In diesem Gehäuse ist ein scheibenförmiges Halbleiterelement 1 angeordnet, das aus einer etwa 300 jxm dicken Siliciumscheibe 2 mit

ίο einem Durchmesser von 3 cm besteht, an deren einer Flachseite eine in der Figur nicht dargestellte Aluminiumelektrode einlegiert ist, an der eine Trägerplatte 3, z. B. aus Molybdän, durch Erwärmen befestigt ist. Auf der anderen Flachseite der Siliciumscheibe 2 ist eine ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellte äntimonhaltige Goldelektrode einlegiert. Auf dieser antimonhaltigen Goldelektrode sind eine Silberfolie 6 sowie eine Molybdänplatte 4 gelagert. Die Molybdäriplatte 4 kann auch auf der der GoIdelektrode zugewandten Flachseite mit einer Silberfolie 6 plattiert und durch Erwärmen an der Goldelektrode befestigt sein.

Das Halbleiterelement 1 ist zwischen den zwei plattenartigen Anschlußelektrodenkörpern 12, die aus einem den elektrischen Strom und die Wärme gut leitenden Metall, vorzugsweise Kupfer, bestehen, gelagert. Die Mantelfläche der Anschlußelektrodenkörper 12 ist mit einer Stufe versehen, in der sich eine kreisförmige Lötkerbe 15 befindet. In der Lötkerbe 15 eines jeden Anschlußelektrodenkörpers 12 ist ein Ring 10 aus einem bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik angepaßten Metall, beispielsweise einer Eisen-Kobält-Nickel-Legiening, hart angelötet. Die Dicke der Anschlußelektrodenkörper 12 kann z. B. 8 mm, die der Ringe 10 z. B. 0,5 mm sein. Die Ringe 10 weisen eine Einbuchtung auf, deren der Achse desHalbleiterbäuelementes am nächsten liegende Wand parallel öder nur wenig geneigt zur Achse des Halbleiterbauelementes verläuft. Das freie Ende dieser Wand ist in der Lötkerbe 15 hart angelötet, die ebenfalls zur Achse des Halbleiterbauelementes parallele oder entsprechend wenig geneigte Wände besitzt. Eine derartige Lötstelle wird durch senkrecht zur Achse des Halbleiterbauelementes wirksame Kräfte nur Wenig beansprucht. Die Ringe 10 sind unter Wahrung eines Abstandes von den Stirnseiten des Isolierringes 8 mit Ringscheiben 9 verschweißt, die ebenfalls aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legieriing bestehen und deren um 90° abgebogener Innenrand an der äußeren Mantelfläche des Isolierringes 8 hart angelötet ist. Die Ringscheiben 9 können ebenfalls eine Dicke von 0,5 mm haben. Die Einbuchtung der Ringe 10 ist zweckmäßig so ausgebildet, daß die Anschlußelektrodenkörper 12 den vom Isolierring 8 und den Ringen 10 gebildeten Gehäuserand überragen. Wegen ihrer Einbuchtung geben die Ringe 10 Belastungen durch von Temperaturwechseln herrührende Kräfte oder durch beispielsweise am Isolierring 8 angreifende äußere Kräfte, die senkrecht zur Achse des Halbleiterbauelementes gerichtet sind, federnd nach. Zwischen den Molybdänkörpern 3 und 4 und den Anschlußelektrodenkörpern 12 sind zweckmäßig etwa 0,2 mm dicke Silberfolien 5 und 7 gelagert, die für einen Ausgleich der Wärmedehnung zwischen den Körpern 12 und den Molybdänplatten 3 und 4 sorgen, ähnlich wie es bei dem lotfreien gleitfähigen Druckkontakt nach der österreichischen Patentschrift 227 840 der Fall ist. Die

den Körpern 12 zugewandten Flachseiten der Molybdänplatten 3 und 4 können auch mit einer Silberfolie plattiert sein. Zur Zentrierung des Halbleiterelementes 1 können in den ihm zugewandten Flachseiten der Anschlußelektrodenkörper 12 die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bildende Bohrungen 13 angebracht sein, in denen beim Zusammenbau des Halbleiterbauelementes Zentrierstifte 14 z. B. durch Einpressen befestigt werden. In einem Ring 10 ist ein Absaugstutzen aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung hart angelötet, der in der F i g. nicht dargestellt ist.

Vor dem Zusammenbau des Halbleiterbauelementes nach F i g. 1 werden zunächst die Ringscheiben 9 an der äußeren Mantelfläche des Isolierringes 8 so hart angelötet, daß ihr äußerer Rand etwas über den Stirnseiten des Isolierringes 8 zu liegen kommt. An den Körpern 12 aus Kupfer, in denen sich die kreisförmigen Lötkerben 15 befinden, werden die Ringe 10 hart angelötet. Da die plattenartigen Körper 12 gewöhnlich einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen als die Ringe 10, ist es zweckmäßig, die Lötkerbe 15 etwa zweimal so breit zu wählen wie die Ringe 10 dick sind. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn vor Beginn des Lötvorganges die der Achse des Halbleiterbauelementes am nächsten liegende Wand der Einbuchtung auf den Ringen 10 mit der vom Mittelpunkt der Körper 12 entfernter liegenden Wand der Lötkerbe 15 ungefähr abschließt. Dadurch wird gewährleistet, daß während der im Verlaufe des Lötvorganges auftretenden Ausdehnung der Körper 12 die Ringe 10 in der Lötkerbe 15 genügend Spiel finden. Nach Abschluß des Lötvorganges werden die dem Halbleiterelement 1 zugewandten Flachseiten der Körper 12 plangeläppt und evtl. die Bohrungen 13 für die Zentrierstifte 14 angebracht. Sodann werden das Halbleiterelement 1 sowie die Silberfolien 5 und 7 zwischen die Körper 12 gelegt und zentriert und schließlich die Ringscheiben 9 und die Ringe 10 in einem Arbeitsgang miteinander verschweißt.

Fig. 2 zeigt die Teilansicht eines Schnittes durch das Gehäuse eines Thyristors. Einzelne Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile in Fig. 1 versehen. Die Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß der Ring 11 einen kleineren Innendurchmesser als der Ring 10 besitzt und daß am Ring 11 eine Keramikdurchführung 17 hart angelötet ist. Der am Ring 11 hart angelötete Anschlußelektrodenkörper 12 a hat einen dementsprechend kleineren Durchmesser. Außerdem ist etwa über der Stirnseite des Isolierringes 8 am Ring 11 eine Metallasche 18 hart angelötet. In der Durchführung 17 ist ein aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung bestehender Stift 19 angeordnet, dessen Kopf mit der oberen Stirnseite der Keramikdurchführung 17 hart verlötet ist. In der Lasche 18 ist isoliert eine Zuleitung 20 für den Steuerstrom des Thyristors befestigt. Diese Zuleitung 20 ist mit dem Kopf des Stiftes 19 durch Weichlöten elektrisch leitend verbunden. Das mit einer zusätzlichen Steuerelektrode versehene scheibenförmige Halbleiterelement ist in diesem Fall zweckmäßig in einem Rahmen angeordnet. Dieser Rahmen, der in Fig. 2 nicht dargestellt ist, ist bündig in das Gehäuse eingelagert und schließt mit der inneren Mantelfläche

ίο des Isolierringes 8 ab. Am Ring 11 ist ein Zapfen angeordnet, der in einer öffnung des Rahmens einrastet und dadurch eine Verdrehung von Rahmen und Halbleiterelement verhindert. Am Stift 19 ist ein Silberdraht befestigt, der die elektrisch leitende Verbindung zu einem Federkontakt am Rahmen herstellt, der die Steuerelektrode des Halbleiterelementes kontaktiert.

Der Zusammenbau des Halbleiterbauelementes nach F i g. 2 erfolgt in der Weise, daß zunächst das Halbleiterelement in dem genannten Rahmen befestigt wird. Die Ringscheiben 9 sowie die Ringe 10 und 11 werden wie bei der Anordnung nach F i g. 1 mit dem Isolierring 8 bzw. mit den Körpern 12 und 12 a hart verlötet. Die dem Halbleiterelement zugewandten Flachseiten der Mittelteile 12 und 12 α werden anschließend plangeläppt. Sodann wird der Rahmen mit dem Halbleiterelement auf den mit dem Ring 11 hart verlöteten Körper 12 α aufgelegt, so daß der am Ring 11 befestigte Zapfen in eine öffnung im Rahmen einrastet. 'Der zum Federkontakt des Rahmens führende Silberdraht wird anschließend mit dem Stift 19 elektrisch leitend verbunden. Schließlich wird der Isolierring 8 über den Rahmen geschoben und das Gehäuse mit der aus dem Körper 12 und dem Ring 10 bestehenden Abschlußwand verschlossen. In einem Arbeitsgang werden sodann die Ringscheiben 9 mit den Ringen 10 und 11 verschweißt.

In dem Spannrahmen nach Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement 30 zwischen zwei plattenartigen Kühlkörpern 31, z. B. aus Kupfer, gelagert. An den Mantelflächen der Kühlkörper 31 befinden sich Zu- und Ableitungen 32 für Kühlmittel sowie nicht dargestellte Anschlüsse für elektrische Leitungen. Der Spannrahmen besteht aus einer Grundplatte 33, z. B. aus Stahl, und einem Bügel 34 aus demselben Material. Im Joch des Bügels 34 ist eine Spannschraube 36 angeordnet. Die Spannschraube 36 stützt sich auf eine elektrisch isolierende Zwischenscheibe 37 ab, die auf dem oberen Kühlkörper 31 gelagert ist. An den dem Halbleiterbauelement 30 zugewandten ebenen Flachseiten der plattenartigen Kühlkörper 31 sind Zentrierringe 38 für das Halbleiterbauelement 30 befestigt. Ebenfalls ist auf der oberen Flachseite der Grundplatte 33 ein Zentrierring 39 befestigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem aus einem Isolierring und aus zwei mit dem Isolierring über Zwischenglieder verbundenen massiven metallischen Anschlußelektrodenkörpern bestehenden Gehäuse, bei dem im Querschnitt winkelförmige metallische Ringe jeweils mit einem Schenkel mit der Außenmantelfläche des Isolierringes gasdicht verbunden sind und über den anderen, sich von dem Isolierring weg erstreckenden Schenkel jeweils mit einem weiteren metallischen Ring von winkelförmigem Querschnitt derart verbunden sind, daß der eine Schenkel der weiteren Ringe über die Stirnflächen des Isolierringes frei hinweg führt und der andere Schenkel sich in das Innere des Gehäuses erstreckt, wobei die sich in das Innere des Gehäuses erstreckenden Schenkel mit der äußeren Mantelfläche des Anschlußelektrodenkörpers hart verlötet sind, und bei dem das Halbleiterelement zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Anschlußelektrodenkörper gleitfähig gelagert ist, nach Patent 1248 814, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem jeweiligen Anschlußelektrodenkörper (12) verbundenen Ringe (10) aus einem dem Material des Isolierringes (8) bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten besser als das gut wärme- und stromleitende Metall der Anschlußelektrodenkörper (12) angepaßten Metall bestehen und mindestens eine rillenförmige Einbuchtung aufweisen, wobei die der Achse des Halbleiterbauelementes am nächsten liegende Wand der Einbuchtung parallel oder nur wenig geneigt zur Achse des Halbleiterbauelementes ist und in einer am jeweiligen Anschlußelektrodenkörper (12) angebrachten kreisförmigen Lötkerbe (15) mit zur Achse des Halbleiterbauelementes parallelen oder wenig geneigten Wänden hart angelötet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem scheibenförmigen Halbleiterelement (1) zugewandten Flachseiten der plattenartigen Anschlußelektrodenkörper (12) plangeläppt sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem scheibenförmigen Halbleiterelement (1) und den plattenartigen Anschlußelektrodenkörpern (12) je eine Folie (5, 7) aus duktilem Metall, vorzugsweise aus Silber, gelagert ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die plattenartigen Anschlußelektrodenkörper (12) berührenden Flachseiten des Halbleiterelementes (1) mit einer Folie (5, 7) aus duktilem Metall, vorzugsweise aus Silber, plattiert sind.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Mantelfläche des Isolierringes (8) Ringscheiben (9) mit einem abgebogenen fnnenrand aus einem bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Material des Isolierringes angepaßten Metall befestigt sind, mit denen die mit dem jeweiligen Anschlußelektrodenkörper (12) verbundenen Ringe (10) verschweißt sind.

6. Haibiiriterlru^iornent nach Ar^cr'.tch !, da-

durch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (1) durch in den ihm zugewandten Flachseiten der plattenartigen Anschlußelektrodenkörper (12) angeordnete Stifte (14) zentriert ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (1) in einem im Gehäuse spielfrei eingeiagerten Rahmen angeordnet ist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen im Gehäuse verdrehungssicher befestigt ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß in den mit dem jeweiligen Anschlußelektrodenkörper (12) verbundenenRingen (10 bzw. 11) isolierte Durchführungen (17) mit Anschlüssen (19) für zusätzliche Elektroden am Halbleiterelement (1) angeordnet sind.