DE1564665B2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem in einem gasdichten Gehäuse eingeschlossenen. Druckkörper aufweisenden Halbleiterelement, das unter Druck zwischen äußere elektrische Anschlußflächen bildenden metallischen, verschiedene Potentiale aufweisenden Gehäuseteilen liegt, wobei diese Gehäuseteile unter Einhaltung eines erforderlichen Isolationsabstandes und eines äußeren elektrischen Kriechweges mit einem isolierenden Ringkörper verbunden sind.

Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise in der österreichischen Patentschrift 2 43 927 beschrieben worden. Das Gehäuse dieses Halbleiterbauelements weist als wesentliche Bestandteile zwei Keramikringe auf, von denen jeweils einer an einer seiner Stirnseiten mit einer Metallplatte verlötet ist. Nach dem Einlegen des Halbleiterelements werden die beiden Keramikringe an ihren den Metallplatten gegenüberliegenden Stirnseiten miteinander verbunden. Dadurch werden schädliche Einflüsse vom Halbleiterelement ferngehalten, die durch beim Löten entstehende Gase auftreten können. Bei einem anderen bekannten

ίο Halbleiterbauelement, das beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 11 94 503 beschrieben ist, wird das im wesentlichen aus einem Keramikring und zwei Metallplatten bestehende Gehäuse durch einen polymerisierbaren Kunststoff verschlossen.

Beide bekannte Halbleiterbauelemente weisen relativ teure Keramikringe auf, die zudem relativ umständlich mit den Metallplatten zu verbinden sind.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement gemaß der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß die Abdichtung des Gehäuses auf wesentlich einfachere Weise möglich ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Ringkörper aus einem im geschmolzenen Zustand thixotropen aushärtbaren Kunststoff besteht.

Der Vorteil des Anmeldungsgegenstandes besteht darin, daß ein solcher Kunststoff relativ billig ist und daß eine Abdichtung durch eine einfache Erwärmung ohne Benutzung von Gieß- oder Preßformen möglich ist.

Der Ringkörper kann zweckmäßigerweise mit einem radial ausladenden Flansch eines pfannenförmigen Gehäuseteils verbunden sein und ein becherförmiges Gehäuseteil von außen umschließen. Der Ringkörper kann jedoch auch ein becherförmiges Gehäuseteil von außen umschließen und mit dem Boden eines anderen becherförmigen Gehäuseteils verbunden sein, von dessen Randteil er seinerseits umschlossen ist. Der Ringkörper kann aber auch beidseitig mit radial ausladenden Flansehen von pfannenförmigen Gehäuseteilen verbunden sein oder lediglich zwischen planen Gehäuseteilen liegen und mit diesen verbunden sein. Zur Verbesserung des Zusammenhaltes der einzelnen Teile in axialer Richtung kann der Ringkörper zwischen im wesentlichen planen Gehäuseteilen liegen und mit diesen verbunden sein, wobei die Gehäuseteile Randteile aufweisen, die als zum Ringkörper hin konkave Ringwulste ausgebildet sind. Zur Vermeidung von Gasblasen beim Aushärten des Ringkörpers wird zweckmäßigerweise ein Verfahren angewandt, bei dem die Teile des Halbleiterbauelements in einem gasdicht geschlossenen, ebenfalls erwärmten Raum angeordnet sind.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den F i g. 1 bis 7 näher erläutert.

In F i g. 1 besteht das Halbleiterelement, z. B. für einen Diodenaufbau, aus einem Siliziumhalbleiterkörper 1 mit entsprechenden eindotierten Bereichen und Anschlußelektroden an den Oberflächen, wobei diese Anschlußelektroden durch einlegiertes Elektrodenmaterial oder durch auf eindiffundierte Bereiche am Halbleiterkörper aufgebrachte metallische Beläge gebildet sein können, und wobei mit jeder dieser Oberflächen je ein Druckkörper 2 und 3 zusammenwirkt. Diese können z. B. aus einem porösen gesinterten metallischen Werkstoff, wie poröses Kupfer, mit einer Dichte von etwa 90% der Dichte von massivem Kupfer oder aus einer geeigneten Legierung bestehen. Die genannten

Teile werden durch einen auf die Mantelflächen der Druckkörper 2 und 3 aufgebrachten Mantelkörper bzw. Schrumpfschlauch 4 aus einem geeigneten Kunststoff, wie z. B. aus einem Silikon zusammengehalten. Dieses Halbleiterelement (1 bis 4) sitzt mit der unteren Fläche des Druckstückes 3 auf der inneren Bodenfläche eines pfannenförmigen metallischen Gehäuseteils 5, von dessen Rand ein Flanschteil radial nach außen vorspringt. Über die äußere Mantelfläche des Halbleiterelements bzw. des Schrumpfschlauches 4 ist mit seiner Öffnung nach unten ein becherförmiges metallisches Gehäuseteil 6 aufgeschoben bzw. gestülpt, das sich mit seiner inneren Bodenfläche gegen die obere Fläche des Halbleiterelements legt. Auf die obere Fläche des Flanschteils des metallischen Gehäuseteils 5 ist ein Ringkörper 7 aus einem schmelzbaren, im geschmolzenen Zustand ihixotropen Kunststoff aufgelegt, das gleichzeitig das metallische Gehäuseteil 6 außen umschließt. Ein solcher Kunststoff ist z. B. unter dem Handelsnamen Araldit-E-Form Serie 1700 der Firma CIBA erhältlich. Die Gehäuseteile können dabei z. B. aus verzinnten Kupferfolien bestehen.

F i g. 1 zeigt die Teile mit für die Veranschaulichung gewählten Abmessungen zunächst nach dem Zusammenbau. Die zusammengestellten Teile werden nunmehr z. B. auf etwa 120⁰C erwärmt, so daß der Kunststoff schmilzt und thixotrop wird. Daher wird der Kunststoff, wie in F i g. 2 veranschaulicht, zwar in einen flüssigen Zustand übergehen, jedoch bei guter Benetzung der beiden Gehäuseteile unter dem Einfluß der auf ihn wirkenden Schwerkraft nicht wegfließen, sondern nur eine entsprechend der F i g. 2 mit T bezeichnete Form annehmen, in der er dann ausgehärtet wird. Die freie Oberfläche von 7' bestimmt dann den Kriechweg zwischen den metallischen Gehäuseteilen.

Die äußeren Bodenflächen der metallischen, nachgiebig ausgebildeten Gehäuseteile bilden die elektrischen Anschlußkontaktflächen für das Halbleiterbauelement, das so in eine Einspannvorrichtung eingesetzt wird, daß sich dadurch ein einwandfreies gegenseitiges Anpressen der Flächen der Druckkörper an die entsprechenden inneren Gegenflächen der metallischen Gehäuseteile und des Halbleiterelements ergibt und zufolge des nachgiebigen Charakters der Endanschlußkörper eine gute Anpassung zwischen den genannten Flächen entsteht.

Bei der Ausführung nach den F i g. 1 und 2 werden zwei metallische Gehäuseteile von konkaver Form benutzt, die mit ihren konkaven Flächen einander zugewandt sind.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, in der für die bereits in der Ausführung nach den F i g. 1 und 2 vorhandenen Teile die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden sind, ist in Abweichung von dieser Ausführung statt des einen konkaven Gehäuseteils ein Gehäuseteil 8 von im wesentlichen planer Form benutzt. Dieses Gehäuseteil weist lediglich noch einen äußeren in der Achsrichtung abgebogenen bzw. angesetzten Randteil 9 auf, um einen Sitz für ein zentrisches Einsetzen des Ringkörpers 10, des von diesem umschlossenen Gehäuseteils 6 und des in diesem angeordneten Halbleiterelements (1 bis 4) zu gewinnen, und um gleichzeitig eine größere Haftfläche zwischen dem Kunststoff und dem Gehäuseteil 8 und eine Haftl'läche auch in der axialen Richtung der Halbleitern-Ordnung zu schaffen.

Diese Anordnung wird erwärmt, damit der Kunststoff eine Benetzung mit den metallischen Gehäuseteilen eingeht und den gasdichten Abschluß am Gehäuse der Halbleiteranordnung zwischen diesen Gehäuseteilen schafft.

Bei der weiteren beispielsweisen Ausführung nach F i g. 4 der Zeichnung sind als metallische Gehäuseteile zwei mit ihren offenen Seiten einander zugewandte pfannenförmige Gehäuseteile 11 und 12 benutzt, zwischen deren radial ausladenden Flanschteilen ein Ringkörper 13 eingesetzt ist. Bei dieser Ausführung ist gleichzeitig der das Halbleiterelement und dessen Druckkörper umschließende Mantelkörper oder Schrumpfschlauch 14 mit einer etwas größeren Länge bemessen als bei der Ausführung nach den F i g. 1 und 2 und als die reine Schichtungshöhe der umschlossenen Einzelteile des Halbleiterelements beträgt, so daß die Stirnflächen des Schlauches 14 sich gegen die inneren Flächen der Gehäuseteile 11 und 12 abdichtend andrükken. Damit bildet dieser Mantelkörper bzw. dieser Schlauch 14 zusammen mit den entsprechenden inneren Flächen der Gehäuseteile 11 und 12 bereits eine dichte Kapselung für das Halbleiterelement.

Nach F i g. 5 sind als metallische Gehäuseteile lediglich plane Körper 15 und 16 benutzt. Um dabei eine Lageorientierung zwischen dem Halbleiterelement und diesen Gehäuseteilen sowie dem Ringkörper 17 zu schaffen, sind in die Gehäuseteile auf einem dem Mantelkörper bzw. Schlauch 14 umschließenden Kreis liegende Kerben bzw. Erhebungen 18 bzw. 19 an den Gehäuseteilen vorgesehen, so daß diese Kerben außen über das Ende des Mantelkörpers 14 des Halbleiterelements aufgeschoben werden können und der Ringkörper 17 außen auf diese Kerben aufgeschoben werden kann.

Bei der weiteren Lösung nach F i g. 6 sind zwei im wesentlichen plane metallische Gehäuseteile 20 und 21, jedoch mit aixal abgebogenen Rändern 22 bzw. 23 benutzt. Wird diese Anordnung aus ihren Einzelteilen zusammengestellt, so ergibt sich eine gegenseitige Zentrierung der Einzelteile.

In den F i g. 2 bis 6 besteht zunächst zwischen den Enflächen der Druckkörper 2 und 3 und den inneren Flächen der metallischen Gehäuseteile noch ein gewisser Zwischenraum, der jedoch dann wegfällt, wenn auf die Außenflächen des Halbleiterbauelements in axialer Richtung ein derartiger Druck ausgeübt wird, daß sich die inneren Flächen der Gehäuseteile und die Druckkörper 2 und 3 berühren. Dies wird mit einem für den betriebsmäßigen Einsatz erwünschten Kontaktdruck im allgemeinen erst dann geschehen, wenn das Halbleiterbauelement in eine entsprechende Einspannvorrichtung in einem elektrischen Stromkreis eingesetzt wird.

Die Anordnungen nach den F i g. 3 bis 6 müssen wie die nach den F i g. 1 und 2 erwärmt werden, damit über den jeweiligen Ringkörper ein gasdichter Abschluß zwischen den Gehäuseteilen erzielt wird.

In F i g. 7 ist noch ein Teil eines Aufbaus des Gehäuses eines Halbleiterbauelements wiedergegeben als Abwandlung der Lösung nach F i g. 6 mit dem Ziel, durch den die Gehäuseteile mechanisch und gasicht miteinander verbindenden Ringkörper zugleich auch ein stabileres Zusammenhalten der Gehäuseteile in axialer Richtung des Halbleiterbauelements zu erreichen. Die Randteile, die in F i g. 6 mit der Bezeichnung 22 bzw. 23 lediglich eine zylindrische Form besitzen, sind hier als hohle Ringwulste 24 bzw. 25 gestaltet, so daß sich die Masse des Ringkörpers 17 bei Erwärmung in die konkave Form der Ringwulste hineinlagert und nach dem

Erstarren bzw. dem Aushärten der Kunststoffmasse eine zugefeste Verbindung mit relativ großem Scherquerschnitt in der Achsrichtung des Halbleiterbauelements vorhanden ist.

Bei der Erwärmung des Halbleiterbauelements zum Schmelzen des Ringkörpers und während des Aushärtungsvorgangs empfiehlt sich ein besonderes Verfahren erfindungsgemäß anzuwenden, um die Einlagerung von Gasblasen in die Masse des Ringkörpers zu verhindern.

Dieses Verfahren besteht darin, daß die Erwärmung des Halbleiterbauelements in einem gasdichten Raum bis zum Aushärten des Ringkörpers durchgeführt wird, damit in allen in dem gasdichten Behandlungsraum vorhandenen Einzelräumen, also im Halbleiterbauelement und in dem dieses umgebenden Raum praktisch der gleiche Gasdruck herrscht, d. h. eine Kompensation der Gasdrucke innerhalb und außerhalb des Halbleiterbauelements erreicht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem in einem gasdichten Gehäuse eingeschlossenen, Druckkörper aufweisenden Halbleiterelement, das unter Druck zwischen äußere elektrische Anschlußflächen bildenden metallischen, verschiedene Potentiale aulweisenden Gehäuseteilen liegt, wobei diese Gehäuseteile unter Einhaltung eines erforderlichen Isolationsabstandes und eines äußeren elektrischen Kriechweges mit einem isolierenden Ringkörper verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (7, 10, 13, 17) aus einem im geschmolzenen Zustand thixotropen, aushärtbaren Kunststoff besteht.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (7; F i g. 1) mit einem radial ausladenden Flansch eines pfannenförmigen Gehäuseteils (5) verbunden ist und daß er ein becherförmiges Gehäuseteil (6) von außen umschließt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (10; F i g. 3) ein becherförmiges Gehäuseteil (6) von außen umschließt, daß er mit dem Boden eines anderen becherförmigen Gehäuseteils (8) verbunden ist und von dessen Randteil (9) umschlossen ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13; Fi g. 4) beidseitig mit radial ausladenden Flanschen von pfannenförmigen Gehäuseteilen (11, 12) verbunden ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17; F i g. 5) zwischen planen Gehäuseteilen (15, 16) liegt und mit diesen verbunden ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17; F i g. 7) zwischen im wesentlichen planen Gehäuseteilen (20, 21) liegt und mit diesen verbunden ist und daß die Gehäuseteile (20, 21) Randteile aufweisen, die als zum Ringkörper hin konkave Ringwulste (24, 25) ausgebildet sind.

7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschließen des Gehäuses durch eine Wärmebehandlung die Teile des Halbleiterbauelements in einem gasdicht geschlossenen, ebenfalls erwärmten Raum angeordnet werden.