DE1614603B2 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Halbleitergleichrichter für hohe Strombelastbarkeit, bei dem die Halbleiterscheibe mit beidseitig mir ihr fest verbundenen Kontaktplatten, die angenähert gleiche lineare Wärmedehnzahl wie das Halbleitermaterial aufweisen, zwischen scheibenförmigen, flächig anliegenden, gleichzeitig der Druckkontaktierung mit weiteren Kontaktteilen dienenden Kontaktfolien angeordnet ist, die zusammen mit einem scheibenförmig ausgebildeten Distanzring aus isolierendem Kunststoff die Halbleiterscheibe einschließen.
Es sind zahlreiche Ausführungsformen von HaIbleiterbauelementen bekannt, bei denen die Halbleitertablette, die aus einer mindestens einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiterscheibe und beidseitig mit dieser fest verbundenen, annähernd gleiche lineare War- ; medehnzahl wie das Halbleitermaterial aufweisenden * Kontaktplatten besteht, entweder durch Lötung oder mittels Federkörper durch Druck zwischen geeignet ausgebildeten, vorzugsweise als Stromleiter dienenden metallischen Bauteilen flächenhaft kontaktiert und in einem entsprechenden Gehäuse angeordnet ist.

Weiterhin sind scheibenförmige, zur druckkontaktierten Anordnung zwischen Kühlblechen vorgesehene Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen die Halb- ; leitertablette gasdicht in einem aus Edelmetallfolien | und aus einem Isolierstoffkörper gebildeten Gehäuse eingeschlossen ist.

Die Nachteile dieser bekannten Anordnungen bestehen in den zahlreichen zur Herstellung erforderlichen, aufwendigen Verfahrensschritten und einer dadurch bedingten Erhöhung der Ausfallrate, in der Verwendung von besonders auszubildenden Bauteilen sowie im fertigungstechnischen Aufwand, insbesondere für Ausführungsformen mit gasdicht angeordneter Halbleitertablette.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement mit gasdicht eingeschlossener Halbleiterscheibe zu schaffen, welches in Aufbau und Herstellung wirtschaftlicher ist als bekannte Bauformen und durch vorteilhafte Ausbildung der zugehörigen Bauteile den Einbau sowohl in Halbleitergehäusen als auch in einer Anordnung zwischen plattenförmigen Kühlelementen jeweils in gewünschter elektrischer Orientierung ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art darin, daß der Distanzring zur Führung der Halbleiterscheibe dient, daß die Randzonen der Kontaktfolien mit dem dazwischenliegenden Distanzring von zwei kreisringförmigen, Halbschalen darstellenden und zusammen U-Profil aufweisenden Profilkörpern aus einem Kunststoff umfaßt sind, daß zwei metallische, in Ausbildung und Ausdehnung den Profilkörpern angepaßte Druckkörperteile die Profilkörper so umklammern, daß sie an der Außenmantelfläche der Profilkörper flächig anliegen, und, aneinander angrenzend, jeweils eine flanschförmige, konzentrisch verlaufende, in sich geschlossene Ausbildung aufweisen, und daß durch eine unter mechanischer Vorspannung erzielte Verbindung der flanschförmigen Ausbildungen der Druckkörperteile

die Profilkörper, die Kontaktfolien und der Distanzring zusammengepreßt sind und damit ein die Halbleiterscheibe einschließendes, gasdichtes Gehäuse gegeben ist.

Aus der französischen Patentschrift 14 41 154 sind scheibenförmige Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen eine Halbleiterscheibe in einem aus Kontaktfolien und aus zwischen diesen angeordnetem Isolierring bestehenden scheibenförmigen Gehäuse dicht eingeschlossen ist. Der Isolierring kann aus zwei Teilringen bestehen. Die dichte Anordnung der Halbleiterscheibe soll mittels Klebeverbindung zwischen den Teilringen und/oder zwischen Isolierring und den Kontaktfolien erreicht werden. Als Kleber ist ein härtender Kleber auf Silikonbasis vorgesehen. Derartige Halbleiterbauelemente erfordern zum Aufbringen und Aushärten des Klebers besondere Maßnahmen und Vorrichtungen, und außerdem besteht die Gefahr, daß Spuren des dem Kleber beigegebenen Härters in das Gehäuseinnere eindringen und die Kontaktflächen verunreinigen.

Weiter sind durch die US-Patentschrift 32 92 056 Halbleiterbauelemente bekanntgeworden, bei denen die Halbleiterscheibe beidseitig mit je einer Kontaktplatte aus Molybdän verbunden ist, und auch die an der kleineren der beiden Kontaktflächen der Halbleiterscheibe befestigte Kontaktplatte eine größere Flächenausdehnung als die Halbleiterscheibe aufweist. Zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen zwischen dieser Kontaktplatte und dem entgegengesetzt gepolten Bereich der Halbleiterscheibe ist die Kontaktplatte im Anschluß an ihre Kontaktfläche mit der Halbleiterscheibe kegelstumpfförmig ausgebildet. Ein derartiger Aufbau kann nun nach der genannten Patentschrift in einem aus Kontaktfolien und zwischenliegendem Isolierring bestehenden scheibenförmigen Gehäuse angeordnet sein. Die gegenseitige Verbindung dieser Bauteile soll durch Hartlöten erfolgen. Dabei ist auch das Halbleitermaterial Verfahrenstemperaturen unterworfen, die häufig eine unzulässige Beeinträchtigung der elektrischen und physikalischen Eigenschaften zur Folge haben.

An Hand der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele ist die Erfindung nach der Anmeldung aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Die Figuren zeigen im Schnitt Ausführungsbeispiele für den Aufbau eines scheibenförmigen Halbleiterbauelements.

In F i g. 1 ist die in einem Diffusionsverfahren vorbehandelte und mindestens einen pn-übergang aufweisende Halbleiterscheibe 3 durch Lötung beidseitig mit Kontaktplatten 1 verbunden, die aus einem Metall mit einer dem Halbleitermaterial entsprechenden linearen Wärmedehnzahl, beispielsweise aus Molybdän bestehen und in ihrer Flächenausdehnung den Kontaktelektroden der Halbleiterscheibe angepaßt sind. Diese aus Halbleiterscheibe und Kontaktplatten bestehende Halbleitertablette ist zwischen zwei metallischen, schalenförmigen Körpern 4 und einem kreisringscheibenförmigen Isolierkörper 5 eingeschlossen. Die weiterhin als Kontaktfolien bezeichneten schalenförmigen Körper 4 weisen mindestens in dem zur Kontaktierung vorgesehenen Bereich eine für die Druckkontaktierung geeignete Duktilität auf. Die Kontaktfolien 4 bestehen vorzugsweise aus einem oder mehreren Edelmetallen oder aus einer Legierung mit solchen. Es können jedoch auch duktile Nichteisenmetalle oder Legierungen derselben verwendet werden, die in vorteilhafter Weise zur Erzielung eines gleichbleibenden, kontaktfähigen Oberflächenbeschaffenheit einen oder mehrere Überzüge aus einem oder mehreren Edelmetallen aufweisen. Im Anschluß an den zentralen Kontaktbereich besitzen die Kontaktfolien 4 bogenförmige Ausbildungen 4a zum Ausgleich von beim Einsatz des Halbleiterbauelements in den aneinander grenzenden Kontaktschichten entstehenden Wärmedehnungen.
Zwischen den einander zugewandten Randzonen 4b

ίο der Kontaktfolien 4 ist ein kreisringscheibenförmiger Isolierkörper 5, weiterhin als Distanzring bezeichnet, flächenhaft angeordnet und durch Ausbildung und Ausdehnung der Teile Aa und 46 der Kontaktfolien 4 klammerförmig gehaltert. Der Distanzring 5 begrenzt die Seitenbeweglichkeit der Haibleitertablette beim Einsatz des Halbleiterbauelements und gewährleistet außerdem eine ausreichende gegenseitige elektrische Isolierung der Kontaktfolien 4. Die Dicke des Distanzringes 5 ist vorzugsweise kleiner als die Dicke der hfalbleitertablette. Der Distanzring besteht aus einem Kunststoff.

Auf jeder der beiden einander abgewandten Flächen der Randzone 4b der Kontaktfolien 4 ist ein kreisringförmiger Isolierstoffkörper 6, der geeignet profiliert ausgebildet und weiterhin als Profilkörper bezeichnet ist, flächenhafl angeordnet. Beide Profiikörper 6 stellen Hälften eines kreisringförmigen, U-Profil aufweisenden Verschlußteils dar und umfassen den durch die Randzonen der Kontaktfolien und durch den Distanzring 5 gebildeten Randteil des scheibenförmigen Halbleiterbauelements. Metallische Druckkörperteile 7, die an die Außcnmantelfläche der Profilkörper 6 flächenhaft angepaßt ausgebildet sind, liegen an den Profilkörpern an und weisen an ihren aneinander angrenzenden Randzonen je eine stcgförmige Ausbildung la für eine Flanschverbindung auf. Die Profilkörper 6 und der Distanzring 5 bestehen aus einem Kunststoff, der zur Erzielung einer flächigen, dichten Verbindung mit den angrenzenden Kontaktfolien 4 genügende Elastizität besitzt, die Druckkörperteile 7 aus einem Federmaterial, beispielsweise aus Federstahl. Die Ausdehnung der Druckkörperteile 7 und ihrer stegförmigen Ausbildung Ta ist so bemessen, daß bei losem Anliegen an den Profilkörpern 6 zwischen den Flanschen ein Abstand gegeben ist, der durch den Grad der für eine gasdichte Umhüllung der Halbleitertablette vorgesehenen Pressung der Profilkörper bestimmt wird, daß jedoch nach Herstellung der Flanschverbindung die Druckkörperteile 7 eine Pressung der Profilkörper auf der Kontaktfolien-Randzone und Distanzring und damit einen dichten Einschluß der Halbleitertablette gewährleisten. Die Flanschverbindung kann eine Schweiß- oder Lötverbindung sein. Zur Erzielung einer Flanschverbindung durch Falzen oder Bördeln weisen vorzugsweise die stegförmigen Ausbildungen Ta ungleiche Flächenausdehnung auf, und die Ausbildung mit der größeren Ausdehnung ist über die Ausbildung mit der kleineren Ausdehnung geklappt und mit dieser verpreßt, wie dies in F i g. 1 für die linksseitige Verbindung der beiden Druckkörper dargestellt ist.

Um die durch die überstehende Flanschverbindung bedingte zusätzliche radiale Flächenausdehnung des scheibenförmigen Halbleiterbauelements zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, die beiden Druckkörperteile 7 durch einen einzigen zu ersetzen, der einen der beiden Profilkörper umhüllt und mit seiner freien Randzone, die eine Vielzahl von geeignet ausgebildeten Aussparungen vorbestimmter Ausdehnung aufweist, durch

Umbördeln an den zweiten Profilkörper angepreßt ist.

In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines scheibenförmigen Halbleiterbauelements dargestellt. Die Anordnung von Halbleitertablette, Kontaktfolien 4 und Distanzring 5 entspricht der Darstellung in F i g. 1. Die Profilkörper 6 umfassen in gleicher Weise schalenförmig die Randzonen der Kontaktfolie und den Distanzring 5. Zur Erzielung eines gasdichten Tablettengehäuses dienen jedoch zwei Dichtungsringe 8 aus duktilem Metall oder aus einem Kunststoff, welche jeweils auf der Außenfläche einer Kontaktfolien-Randzone 4b aufliegen und gegebenenfalls in geeigneten, in sich geschlossenen Aussparungen 6a der zugeordneten Profilkörper 6 gehaltert sind. Die Profilkörper weisen an einer für die Druckwirkung der Druckkörperteile geeigneten Stelle ihrer Außenmantelfläche je eine Aussparung 9 auf, in welche die Druckkörperteile mit ihrem nach innen abgewinkelten Rand Tb eingreifen. Die gegenseitige Verbindung der beiden Druckkörperteile bzw. die Anordnung eines Druckkörpers zur Erzielung einer gasdichten Umhüllung der Halbleitertablette ist gemäß der Erläuterung zu F i g. J auch bei dieser Ausführungsform gegegen.

Das in F i g. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Aufbau dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mit dem Unterschied, daß an Stelle von Dichtungsringen die Profilkörper 6 an einer gewünschten Stelle am ganzen Umfang ihrer Verbindungsfläche mit der zugeordneten Kontaktfolien-Randzone eine keil- oder schneidenförmige Ausbildung 10 aufweisen, deren Kante auf der Kontaktfolienfläche aufliegt.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann wahlweise die

ίο Halbleitertablette mit den Kontaktfolie 4 durch Lötung fest verbunden oder lediglich lose zwischen ihnen angeordnet sein.

Der Aufbau eines Halbleiterbauelements erfolgt in der Weise, daß nach Art eines Stapelaufbaues Druckkörperteile, Profilkörper, Kontaktfolien, Distanzring und Halbleitertablette in sinnvoller Reihenfolge zusammengefügt werden und daß schließlich die Verbindung der Druckkörperteile an ihren stegförmigen Ausbildungen bzw. das Umbördeln der Randzone eines einzelnen Druckkörpers die Pressung zwischen Profilkörpern, Kontaktfolien und Distanzring und damit eine gasdichte Umhüllung der Halbleitertablette bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement, insbesondere Halbleitergleichrichter für hohe Strombelastbarkeit, bei dem die Halbleiterscheibe mit beidseitig mir ihr fest verbundenen Kontaktplatten, die angenähert gleiche lineare Wärmedehnzahl wie das Halbleitermaterial aufweisen, zwischen scheibenförmigen, flächig anliegenden, gleichzeitig der Druckkontaktierung mit weiteren Kontaktteilen dienenden Kontaktfolien angeordnet ist, die zusammen mit einem scheibenförmig ausgebildeten Distanzring aus isolierendem Kunststoff die Halbleiterscheibe einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß der Distanzring (5) zur Führung der Halbleiterscheibe (3) dient, daß die Randzonen (4b) der Kontaktfolien (4) mit dem dazwischenliegenden Distanzring (5) von zwei kreisringförmigen, Halbschalen darstellenden und zusammen U-Profil aufweisenden Profilkörpern (6) aus einem Kunststoff umfaßt sind, daß zwei metallische, in Ausbildung und Ausdehnung den Profilkörpern (6) angepaßte Druckkörperteile (7) die Profilkörper (6) so umklammern, daß sie an der Außenmantelfäche der Profilkörper flächig anliegen und, aneinander angrenzend, jeweils eine flanschförmige, konzentrisch verlaufende, in sich geschlossene Ausbildung (7a) aufweisen, und daß durch eine unter mechanischer Vorspannung erzielte Verbindung der flanschförmigen Ausbildungen (7a) der Druckkörperteiie (7) die Profilkörper (6). die Kontaktfolien (4) und der Distanzring (5) zusammengepreßt sind und damit ein die Halbleiterscheibe (3) einschließendes, gasdichtes Gehäuse gegeben ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Distanzring (5) und Profilkörper (6) aus einem Kunststoff bestehen, der eine zur Erzielung einer flächigen, dichten Verbindung mit den angrenzenden Kontaktfolien (4) genügende Elastizität besitzt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkörper (6) an ihrer Anlagefläche zur Kontaktfolie (4) eine konzentrisch verlaufende, in sich geschlossene keil- oder schneidenförmige Ausbildung (10) aufweisen.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkörper (6) an ihrer Anlagefläche zur Kontaktfolie (4) eine konzentrisch verlaufende, in sich geschlossene Aussparung (6a) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (8) aufweisen.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (8) aus einem duktilen Metall ober aus einem Kunststoff besteht.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkörper (6) an der längs der Randzone (4b) der Kontaktfolien (4) verlaufenden Außenfläche konzentrisch verlaufende, nutenförmige Aussparungen (6, 9) aufweisen, in die die abgewinkelt ausgebildete Randzone (7b) der Druckkörperteile (7) eingreift.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Druckkörperteilen (7) angebrachten flanschförmigen Ausbildungen (7a) unterschiedliche Flächenausdehnung zur Herstellung einer mechanisch festen Verbindung durch Falzen oder Bördeln aufweisen.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkörperteile (7) aus einem Federstahl bestehen.