DE1539643A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE1539643A1 DE19661539643 DE1539643A DE1539643A1 DE 1539643 A1 DE1539643 A1 DE 1539643A1 DE 19661539643 DE19661539643 DE 19661539643 DE 1539643 A DE1539643 A DE 1539643A DE 1539643 A1 DE1539643 A1 DE 1539643A1
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Description

Prtenlu .it 153 96 A 3
•r.-liig.Wilhüiin Hjiciiöi
Fvarikiurt/Mcun-l
Farkiir,-;^, 13 4726
Associated Electrical Industries Limited, London SW l/England
Halbleiterbauelement
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente und insbesondere auf Halbleiterbauelemente, die mit hoher Leistung betrieben werden, z.B. Leistungsgleichrichter und Thyristoren.
Bei solchen Halbleiterbauelementen werden die Halbleiter körper stets eingekapselt oder irgendwie abgedichtet,damit sie nicht durch Feuchtigkeit oder Verunreinigungen zerstört werden können. Das Abdichten kann dadurch geschehen, daß man den Halbleiterkörper in ein Einbettungsharz oder härtbares Gummi einkapselt, doch sind derartige Abdichtungen nicht gut genug, weil es schwierig ist,zufriedenstellende Verbindungen zwischen dem Einbettungsmaterial und dem Metall des Halb leiterbauelementes herzustellen.
Eine weitere Möglichkeit zur Abdichtung besteht darin, Metallteile ( ggf. mit einem dazwischen liegenden Isolier körper) zusammenzuklemmen, doch ergibt sich dabei die Schwierigkeit, die Abdichtung bei schwankenden Temperaturen und beim Altern der einzelnen Teile zu erhalten.
Das Abdichten durch Einkapselung in ein Gehäuse aus Metall und Keramik ( wo^bei die letzte Dichtung durch Schweißen oder Löten hergestellt wird) ist zwar ebenfalls möglich, doch wird hierdurch das H .Ibleiterbauelement zu groß und da3 Problem auße idem, nur auf die Herstellung von Metall -
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Keramik-Versiegelungen verlagert.
Wegen der Schwierigkeiten, die sich wegen der unterschied liehen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben, wenn das Halbleiterbauelement durch Lotung elektrisch und thermisch kontaktiert wird, ist man dazu übergegangen, lötstellenfreie Kontakte herzustellen, indem man die geeigneten Flächen unter starkem Federdruck zusammenpreßt.
Nach der Erfindung wird der Federdruck für einen solchen Iotstellenfreien Kontakt auch zur Herstellung einer Abdichtung für den Halbleiterkörper verwendet. Der Halbleiterkörper wird zwischen zwei leitenden Teilen des Bauelementes zu sammenge drückt ( d-h. unter Druck gehalteuj, indem eine Federkombination am einen dieser Teil.a über eine dazwischen liegende Dichtungsmembran angreift, die dadurch, mit diesem Teil druckversiegelt wird. Äui3erdem bildet die Dichtungsmembran mit dem anderen leiter den Teil einen abdichtenden Verschluß. Hierzu kann oie durch Federdruck mit deuu ..uvlfiren Teil ver bundeη sein oder mit diesem Teil aas ei?—α Stück bestehen oder zu einem gemeinsamen ToLl ^u^aniiju-mgerügt sein.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne d r Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Paten"1 υ rung in die Anmeldung aufgenommen werden.
Die Fig. 1 und 2 sind Schnitte durch Ausführungsbeispiele der Erfindung , während die Fig. 2a das Ausführungsbeispiel nach der Fig. Z in einer Zwischenstufe der Hersteilung zeigt.
Der Halbleiterkörper 1 enthält eine PLatte aus H .Ibleitermaterial und Zonen unterschiedlicher Lei Lf UhI1^kGi ί, oder
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unterschiedlichen Leitfähigkeitstype, durch die die erforderliche Zahl und Art der Grenzflächen bezw. Übergänge festgelegt wird, z.B. zwei Zonen bei einem Gleichrichter oder vier Zonen "bei einem Thyristor. Die Zonen, die in bekannter Weise kontaktiert werden müssen, sind mit Schichten aus Kontaktierungsmaterial, z.B. Gold- oder Silberfolien belegt.
Der Halbleiterkörper 1 wird durch Pederdruck zwischen einer relativ massiven metallischen Bodenplatte 2 und einem flanschartig verbreiterten Ende eines Metallstempels 3 zusammen gedrückt, wobei im Bedarfsfall eine leitende Schicht oder leitende Schichten ( z.B. Molybdän) dazwischengelegt werden, deren thermischer Expansionskoeffizient ähnlich dem des M terials des Halbleiterkörpers 1 ist. Es können auch noch Belege aus Kontaktierungsmaterial, z.B. Gold- oder Silberfolien, zwischen den Schichten und der Bodenplatte und dem Metallstempel 3 vorgesehen werden. Der Metailstempel 3 ist massiv gezeigt, doch kann er aus später genannten Gründen auch hohl sein. Die Bodenplatte 2 und der Metailstempel 3 bilden die HauptZuleitungen (Anode und Kxthode) des Halbleiterbauelementes, wobei der notwendige elektrische Kon takt zwischen diesen beiden Bauteilen und dem Halbleiterkörper durch den Pederdruck erzeugt wird. Der Federdruck sorgt außerdem für einen guten thermischen Kontakt besonders zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der Bodenplatte 2, die aus Kupfer oder einem anderen M tall mit guter thermischer Leitfähigkeit besteht und zur Wärmeableitung vom Halbleiterkörper 1 dient.
Der Pederdruck wird mittels einer Kombination aus Tellerfedern 4 ( vorzugsweise vom Typ Belleville) zwischen der Hückseite der flanschartigen Erweiterung 5 des Stempels 3 und einer ringförmigen Sperrplatte 6 zusammengedrückt, die
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mit der Bodenplatte 2 einen Bauteil bildet und, wie es die Figuren zeigen, über den äußeren Rand der Tellerfedern umgebogen ist.
Nach der Fig 1 liegen zwischen dem inneren Teil der Tellerfedern 4 und der flanschartigen Erweiterung 5 ein Unterlegring 7 , eine Dichtungsmembran 8 und ein Isolierring 9· Die Dichtungsmembran 8 besteht aus einem relativ dünnen zylindrischen Teil *, der mit der Bodenplatte einen Teil bildet und derart umgebogen ist, daß er den gesamten Rand der rückwäztLgen flanschartigen Erweiterung 5 umgibt. Dazwischen liegt der Isolierring 9· Durch die Wirkung der Tellerfedern 4 entsteht zwischen der Membran 8 und dem Isolierring 9" und zwischen dem Isolierring 9 und der Rückseite der flanschartigen Erweiterung 5^eine Abdichtung durch Druck . Folglich erhält man eine versiegelte Kammer 10 für den Halbleiterkörper 1.
Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 enthält eine Dichtungsmembran 11, die einen getrennten Bauteil in Form einer flachen Scheibe bildet. Die Membran liegt wie oben zwischen einem Unterlegring 7 und einem Isolierring 9, über die die Tellerfedern 4 auf die Rückseite der flanschartigen Erweiterung 5 einwirken. In diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch die Dichtungsmembran 11 auch gegen einen Vorsprung 12 in der Bodenplatte zur Herstellung einer Dichtung gedrückt. D .s wird dadurch erreicht, daß ein weiterer Unterlegring 13 und eine weitere Tellerfeder 14 vorgesehen sind, die auch zwischen dem Unterlegring 7 und der nächsten der Tellerfedern liegt. Die Tellerfeder 14 verteilt den gesamten Federdruck auf die beiden Unterlegringe 7 und 13· Die Fig. 2a zeigt die Tellerfedern 4 und 14 im unbeanspruchten Zustand. Es sei angenommen, die Tellerfedern 4 üben eine Kraft von 90,6 kg ( 2oo lbs) aus, wenn sie flach sind, während die
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Tellerfeder 14 eine Kraft von 181,2 kg (400 lbs) ausübt, wenn sie beinahe flach liegt. Beim Zusammendrücken der Tellerfedern gibt die Kombination der Tellerfedern 4 nach, bis sie bei Berührung des inneren Unterlegrings 7 auf den äußeren Unterlegring 13 eine Kraft von 90,6 kg (200 lbs) und auf den Unterlegring 7 eine Kraft von O kg ausübt. Ein weiteres Zusammendrücken der Tellerfedern erhöht nioht die Kraftwirkung auf den Unterlegring 13, sondern in zunehmender Weise die Kraftwirkung auf den Unterlegring 7· Wenn die volle Kraft von 181,2 kg ( 400 lbs) ausgeübt wird, dann ist die Kraft auf den Unterlegring 7 auf 90,6 kg (200 lbs) angestiegen, d.h. sie ist gleich der Kraft auf den Druckausgleichsring 13·
In beiden Ausführungsbeispielen kann die Abdichtung durch den Zusatz eines Dichtungsmittels oder Dichtungsfettes an den beiden Oberflächen des Dichtungsringes 9 erhöht werden. Die Wirksamkeit kann noch weiter gesteigert werden, wenn man auf diesen beiden Oberflächen oder z.B. auf den sioh gegenüberliegenden Oberflächen der flansohartigen Erweiterung 5 oder der Dichtungsmembran 11 ringförmige Kerben für das Dichtungsmittel oder Dichtungsfett anbringt. Um die mechanische Stabilität zu erhöhen und die Wasserdichtheit des äußeren Randes der Abdichtung sicherzustellen, kann der Raum, der von den Tellerfedern 4 um den Metailstempel 3 herum freigelassen wird, mit einem Harz oder Gummi 15 ausgefüllt werden, ohne daß dieses die Wirkung der Tellerfedern beeinträohtigt. Der Zwischenraum kann beispielsweise mit aufeinanderfolgenden Schiohten aus ansteigend weniger elastischem Harz gefüllt sein, wobei die äußere Schicht nahezu unelastisch ist. Im Bedarfsfalle kann das Material 15 den inneren Rand der Abdichtung in Pig. 2 einbetten. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß das M terial in den Zwischenraum zwischen den Tellerfedern 4 und dem umgebogenen Teil 6 eindringen kann.
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Man erreicht dies, indem man geeignet gelegene löcher oder Schlitze vorsieht, die entweder in den Tellerfedern oder im umgebogenen Teil liegen. Beispielsweise kann, wie es dia Fig. 2 und 2a zeigen, der umgebogene Teil 6±idas Material 15 eingebettet werden und eine Anzahl von Öffnungen 16 aufweisen, durch die das Material 15 eindringen kann. Außerhalb des umgebogenen Teils 6 wird das Material 15 dann von einem Isolierrohr 17 aufgehalten, welches vor dem Pullen über diesen Teil gezogen wird.
Wird ein Halbleiterbauelement hergestellt, welches mehr als zwei Kontakte am Halbleiterkörper benötigt, ( z.B. ein Thyristor), dann können diese zusätzlichen Kontakte in geeignet · abgedichteter Form durch die Bodenplatte 2 oder durch den Metallstempel 3 geführt werden. Die letztere Art ist dabei vorzuziehen, weil bei einem Thyristor nach z.B. dem Britischen Patent 869 680 der Halbleiterkörper eine ringförmige Hauptzone aufweist, deren Steuerzone durch die mittlere Öffnung dieser ringförmigen Zone zugänglich ist. In diesem Fall sollte der Me tallstempel 3 rohrförmig sein, wobei die flanschartige Erweiterung 5 die ringförmige Zone des Halbleiterkörpers kontaktiert, während der Anschluß für die Steue rzone koaxial durch den rohrförmigen Metallstempel 3 geführt und an die durch den mittleren Teil zugängliche Steuerzone angeschlossen wird.
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Claims (12)

• η 15396Λ3 ' .jv W:IkMi il.)iiJii;· i: a;k&iiα/-*- ; i Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement mit einer lötstellenfreien elektrischen Kontaktierung zwischen einem Halbleiterkörper und einem leitenden Teil des Halbleiterbauelementes, die durch das Zusammenpressen der angrenzenden Flächen mittels Federdruck hergestellt ist, dadurch gekennzeich net, daß der Federdruck auch zur Herstellung einer Abdichtung für den Halbleiterkörper ausgenutzt ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterkörper durch eine Federkombination zwischen zwei leitenden Teilen gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Federkombination und einem der leitenden Teile (3) eine Dichtungsmembran (8) angeordnet ist, die durch Federdruck mit diesem Teil versiegelt wird, und daß die Dichtungsmembran auch .nit dem anderen leitenden Teil einen dichten Verschluß bildet.
3· Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungsmembran auch mit dem andern leitenden Teil (2) durch Federdruck verbunden ist.
4· Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmembran eine ringförmige runde Scheibe (11) ist, die durch die Federkombination gegen zwei koplanare ringförmige Flächen (5»12) gedrückt wird, die zu je einem leitenden Teil (2,3) gehlren, und daß zwischen der Dichtungsmembran und mindestens einem der beiden leitenden Teile ein Isolierring liegt, wenn die Membran leitend ist.
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2 -
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Federkombination eine Anzahl von übereinanderliegenden Tellerfedern (4) vom Typ Belleville enthält, und daß zwischen der Dichtungsmembran und den inneren.und äußeren Rändern der angrenzenden Tellerfeder (14) Unterlegringe (7,13) liegen.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die der Dichtungsmembran (8) am nächsten gelegene Tellerfeder (14) nach dem Zusammen drücken einen Druck ausübt, der kleiner als die gesamte Federlast ist, so daß diese auf die beiden Unterlegringe aufgeteilt wird.
7· Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungsmembran mit dem einen leitenden Teil (2) aus einem Stück besteht oder an diesem befestigt ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungsmembran im oberen Teil die Form einer ringförmigen runden Scheibe besitzt, die durch die Federkombination gegen eine ringförmige Oberfläche gedrückt wird, die durch den anderen leitenden Teil (3)hergestellt wird, und daß dazwischen ein Isolierring (9) angeordnet ist, wenn die Dichtungsmembran aus einem leitenden Material besteht.
9· Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Federkombination aus einer Anzahl übereinanderliegender Tellerfedern besteht und daß zwischen der Dichtungsmembran und dem Rand der angrenzenden Tellerfeder , der auf sie einwirkt, ein Unterlegring(7) liegt.
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10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmembran eine relativ dünne zylindrische Wand aufweist, die sich von dem einen leitenden Teil (2) aus, auf dem der Halbleiterkörper liegt, erhebt, den Halbleiterkörper (l) umgibt und in der ringförmigen runden Scheibe endet.
11. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, daduroh gekennzeichnet, daß ein an den Band der Abdichtung angrenzender R um, der normalerweise der Atmosphäre ausgesetzt ist, mit einem elastischen Dichtungsmaterial gefüllt ist, welches die Wirksamkeit der Feder nicht beeinträchtigt.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Raum mit auf einanderfolgenden Sohichten aus einem Material fort schreitend abnehmender Elastizität gefüllt ist.
13· Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein an den Rand der Abdichtung angrenzender Raum, der normalerweise nur durch die Pederkombination und den einen leitenden Teil(3) begrenzt wird, ebenfalls mit dem elastischen Material gefüllt ist, wobei Löcher oder Schlitze (16) vorgesehen sind, durch die das Dichtungsmaterial in diesen Raum eindringt.
14· Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13 mit mehr als zwei Anschlüssen am Halbleiterkörper, wobei einer der Anschlüsse mittels eines leitenden Stempels hergestellt wird, dadurch g e kenn zeiohnet, daß ein weiterer Anschluß durch das Innere des Stempels zugeführt wird.
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15· Halbleiterbauelement nach Anspruoh 14, d a d u r ο h gekennzeichnet , daß der Stempel (3) die Form eines Rohrs mit einer flanschartigen Erweiterung (5) aufweist und den einen leitenden Teil bildet, welcher eine ringförmige Zone des Halbleiterkörpers kontaktiert, und daß der ande je Anschluß koaxial innerhalb des Rohrs verläuft und eine weitere Zone des H-ilbleiterkörpers kontaktiert, die innerhalb der ringförmigen Zone liegt.
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