DE1907168A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents
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Description
Halbleiteranordnungen für große Stromstärken umfassen gewöhnlich ein halbleitendes System mit einer halbleitenden Scheibe
aus Silizium oder Germanium, die oft auf einer oder beiden Seiten mit einer an der Halbleiterscheibe durch Lötung oder
Legierung befestigten Stützplatte aus einem Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das halbleitende
Material versehen ist. Es sind Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen das Halbleitersystem in Druckkontakt mit einem
Sockel aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer, auf seiner einen Seite und mit einem Stromabnehmer
auf seiner anderen Seite steht. Der Stromabnehmer kann dabei gegen das Halbleitersystem mit einer Spannanordnung gepreßt
werden, die vom Stromabnehmer durch einen zwischenliegenden Isolierkörper isoliert ist. Das halbleitende System, die Spannanordnung
und der Isolierkörper sind in den genannten bekannten Halbleiteranordnungen in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse
angeordnet, das aus dem Sockel und einer mit dem Sockel zusammengefügten Haube besteht, die das Halbleitersystem, den Stromabnehmer,
den Isolierkörper und die Spannanordnung umschließt.
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Das hermetische Verschliessen des Gehäuses umfaßt zeitraubende Lötungen, u.a. zwischen seinen metallischen und keramischen
Teilen, wodurch die Herstellungskosten hoch werden.
Gemäß der Erfindung hat es sich als möglich erwiesen, eine ausreichend
wirksame Dichtung für das Halbleitersystem ohne Verwendung von zeitraubenden Lotungen und ohne Anordnung eines
Isolierkörpers zwischen der Spannanordnung und dem Stromabnehmer zustandezubringen. Es können so die Herstellungskosten auf einen
Bruchteil der früher erforderlichen herabgesetzt v/erden. Weil Lötungen vermieden werden, kann man auch Fugen zwischen verschiedenen
Materialien vermeiden, was eine erheblich verbesserte Korrosionsbeständigkeit zur Folge hat.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, z.B. eine
Kristalldiode, einen Thyristor oder einen Transistor, für große Stromstärken, in der ein halbleitend.es System auf einem
Sockel angeordnet ist und ein Stromabnehmer gegen die vom Sockel abgekehrte Seite des halbleitenden Systems mit einer Spannanordnung
gedrückt gehalten wird, deren Gegenhalter ein mit dem Sockel zusammenhängender Teil ist, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Spannanordnung und dem Gegenhalter eine
Dichtung aus Isoliermaterial angeordnet ist, die zwischen der Spannanordnung und dem Gegenhalter gepreßt gehalten wird, die
einen inneren, das Halbleitersystem enthaltenden Raum von dem außerhalb der vom Stromabnehmer abgekehrten Seite der Spannanordnung
liegenden äußeren Raum abdichtet.
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Mit dem Ausdruck große Stromstärken sind Stromstärken in der Größenordnung 10 Amp. und darüber gemeint.
Die Spannanordnung kann mit Vorteil aus einer oder mehreren Scheibenfedern bestehen.
Das Halbleitersystem kann aus einer Halbleiterscheibe z.B. aus Silizium oder Germanium bestehen, die auf einer oder beiden Seiten
mit dünnen Metallsehichten versehen ist, die auf die Halbleiterscheibe
z.B. durch Legierung, Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung oder durch elektrolytischen Belag aufgebracht sind.
Die Metallsehichten können in Verbindung mit der Dotierung der Halbleiterscheibe oder in einem getrennten späteren Prozess ausgebildet
werden. Als geeignete Metal-le für die Schichten können
beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Blei,
Zinn und Legierungen, die mindestens eins dieser Metalle enthalten, genannt werden. Das Halbleitersystem kann u.a. auch aus
einer Halbleiterscheibe bestehen, die auf ihrer einen oder beiden Seiten mit Stützplatten aus Molybdän, Wolfram oder einem anderen
Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe versehen ist. Solche Stützplatten können
in herkömmlicher Weise an der Halbleiterscheibe befestigt sein. Es ist auch möglich, Metallsehichten und Stützplatten auf
den Seiten der Halbleiterscheibe ganz wegzulassen. Dabei besteht das Halbleitersystem nur aus der Halbleiterscheibe. In diesem
letzteren Fall ist es zweckmäßig, Halbleiterscheiben mit hochdotierten Außenschichten zu verwenden.
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Als Beispiel von geeignetem Material für die Dichtung können verschiedene Plaste und Elaste genannt werden, z.B. Polyimid,
wie ein Polyimid aus Pyromellitsäuredianhydrid und Paraphenylendiamin,
Polytetrafluorathylen, Polykarbonat, Polyäthylenglykolterephtalat,
Silikongummi und Fluorgummi, wie ein Kopolymerisat von Hexafluorpropylen und Vinylidenfluorid. Es ist besonders
zweckmäßig, Material mit guter Beständigkeit gegen Fliessen, wie Polyimid, zu verwenden. Die Dichtung kann aus einer Folie
bestehen und mit Vorteil die Form eines Schlauches oder einer Hülse haben.
Wenn die Dichtung so angeordnet wird, daß sie sich längs des Halbleitersystems erstreckt, kann man der Halbleiteranordnung
kleine Abmessungen geben ohne zu riskieren, daß ein Kontakt zwischen dem Halbleitersystem und Teilen des Gehäuses entsteht,
die vom Halbleitersystem isoliert werden sollen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist um die Spannanordnung
und den Stromabnehmer nach dem inneren Raum zu eine zusätzliche Dichtung angeordnet, die in der Spannanordnung und
zwischen der Spannanordnung und dem Stromabnehmer eventuell vorkommende Spalte von dem inneren Raum abdichtet. Dadurch wird
die Gefahr von Leckage von der Umgebung in den inneren Raum über diese Spalte vermieden.
Die Zusatzdichtung kann mit Vorteil aus einer nach oben zu
offenen Dose aus metallischem Material, vorzugsweise Kupfer,
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bestehen, in der der Stromabnehmer und die Spannanordnung angeordnet sind, wobei der Boden der Dose zwischen dem halbleitenden
System und dem Stromabnehmer liegt. Es hat sich gezeigt, daß
der Boden der Dose, wenn er dünn ist, etwas fHessen und dabei
Nachteilen entgegenwirken kann, die durch Ungleichmäßigkeiten der einander zugekehrten Seiten des Stromabnehmers und des
halbleitenden Systems verursacht werden können, d.h. die Dose trägt dazu bei, den Kontakt zwischen dem halbleitenden System
und dem Stromabnehmer zu verbessern.
Fach einer vorteilhaften Ausführungsfora der Erfindung mit wirksam eingekapseltem Halbleitersystem ist die Halbleiteranordnung
mit einem Imprägnierungeharz imprägniert. Dabei werden besonders
gute Resultate erreicht, wenn die Imprägnierung als Vakuumimprägnierung ausgeführt wird und wenn solche Imprägnierungsharze
verwendet werden, die keine Lösungsmittel enthalten und die ohne Abgabe von flüchtigen oder gasförmigen Komponenten härten. Beispiele von zweckmäßigen Imprägnierungsharzen sind Silikonharze,
besonders lösungsmittelfreie, Epoxiharze und ungesättigte Esterharze. Bei der Imprägnierung dringt das Imprägnierungsharz ein
und dichtet vorkommende Spalte, z.B. Spalte zwischen der Spannanordnung und dem Stromabnehmer oder zwischen der Spannanordnung
und der Dichtung.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist zusammenhängend mit dem Segenhalter in Richtung vom Sockel weg ein Ver-
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längerungsteil angeordnet, der außerhalb der Spannanordnung
einen nach außen offenen Raum bildet, in dem ein an Ort und
Stelle geformtes Plastmaterial, z.B. Duroplast oder ein Thermoplast, z.B. ein Epoxiplast, ein Polyesterplast, ein Polykarbonatplast,
ein Fluorplast oder ein Silikonplast, angeordnet ist. In dieser Weise wird eine Halbleiteranordnung erhalten, deren
Halbleitersystem besonders gut gegen die Einwirkung sowohl der äußeren Atmosphäre als auch gegen mechanische Beschädigungen,
z.B. Stösee, geschützt ist. Wenn der Stromabnehmer an einem
zentral angeordneten Metallkörper angeschlossen ist, der sich durch eine öffnung in der Spannanordnung und durch den Verlängerungsteil
erstreckt, ist es vorteilhaft, eine Vertiefung im oben genannten Plastmaterial anzuordnen, die sich zwischen
dem Metallkörper und der Verlängerung erstreckt. Dadurch wirkt man nämlich dem Entstehen von inneren Spannungen im Plastmaterial
entgegen, die zu Bildung von Bissen führen können.
Das Plastmaterial im Raum außerhalb der Spannanordnung kann eventuell ein Füllmittel, z.B. Quarzmehl, enthalten. Das Plastmaterial
kann die Form eines Gießpiasts haben, das in den Raum
eingegossen wird, oder einer Pressmasse, die eingepreßt wird, wobei die Halbleiteranordnung in einem Presswerkzeug angeordnet
wird. Es kann auch die Form einer Spritzmasse haben, die durch Spritzen aufgebracht wird, wobei die Halbleiteranordnung
in einem Spritzwerkzeug angeordnet wird.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in der Pig· 1 und '?.. zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
Halbleiteranordnung im Schnitt durch die Stromrichtung zeigen.
Die in den Figuren gezeigten -Dioden sind für eine Stromstärke
von z.B. 150 Amp. vorgesehen. Eine runde Siliziumscheibe 10
des p-n-n+ -Typs ist auf der einen Seite mit einer nicht gezeigten
Aluminiumschicht an einer Stützplatte 11 aus Molybdän f|
oder einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
festgelötet und auf der anderen Seite mit einem Goldantimonkontakt in der Form einer Schicht 12 versehen.
Das aus den Elementen 10, 11 und 12 bestehende runde Halbleitersystem ist auf einem Sockel angeordnet, der aus einer Erhöhung
13 in einer Ausnehmung 14 im Kopf 15 eiaes Bolzens 16 aus Kupfer
oder Aluminium besteht. In der Anordnung nach Fig. 1 ist das Halbleitersystem mit der Stützplatte 11 auf dem Sockel 13 angeordnet
und in der Anordnung nach Fig. 2 liegt es mit der Ie- λ
gierten Schicht 12 am Sockel 13 an. Der Stromabnehmer 17 liegt unter Druck an der Oberseite des Halbleitersystems an. Eine Lötfuge
gibt es nicht zwischen dem Halbleitersystem und dem Stromabnehmer, sondern der Kontakt zwischen ihnen wird nur durch
Druck erreicht. Der Druck wird von der Spannanordnung 18 ausgäbt, die aus einer Preßscheibe 19 und Tellerfedern 20 besteht,
die an der oberen Stirnfläche des Stromabnehmers anliegen.
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— ο —
In der Anordnung nach Fig. 2 kann es zweckmäßig sein, eine
Silber- oder Goldfolie zwischen der Stützplatte 11 und dem
Stromabnehmer 17 anzuordnen.
Der Kontakt zwischen dem Sockel und dem Halbleitersystem kann auch nur durch Druck zustandegebracht werden. Dabei kann es
zweckmäßig sein, in der Anordnung nach Pig. 1 eine Gold- oder Silberfolie zwischen der Stiitzplatte 11 und dem Sockel 15 anzuordnen.
Das Halbleitersystem kann auch am Sockel festgelötet sein, z.B. mit einem Gold-Zinn-Lot.
Der Stromabnehmer ist mit einem zentral angeordneten, steifen, massiven zylindrischen Anschlußleiter 21 aus Kupfer oder Aluminium
zusammengefügt, der sich durch das Loch 22 cter Spannanordnung erstreckt.
Der Bolzen 16 bzw. der Kopf 15 ist mit einem nach oben gerichteten
zylindrischen Verlangerungsteil 23 versehen, der in eine
Einbuchtung 24 übergeht, die als Gegenhalter für die Spannanordnung
18 dient. Die Einbuchtung wiederum geht in einen anderen zylindrischen Verlängerungsteil 25 über, der außerhalb der
Spannanordnung einen nach oben offenen Raum 26 bildet. Der Bolzen und seine Teile 15, 23, 24 und 25 sind aus einem einzigen
Material, z.B. Kupfer oder Aluminium, in einem einzigen zusammenhängenden
Stück hergestellt.
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Zwischen der Spannanordnung 18 und dem Gegenhalter 23 ist eine
Dichtung 27 aus einer Polyimidfolie (z.B. "Kapton" von Du Pont)
angeordnet. Die Dichtung erstreckt sich vorbei am Halbleitersystem, so daß die Dimensionen des Bolzens klein gehalten werden
können, ohne daß die Gefahr vorliegt, daß ein Kontakt zwischen dem Halbleitersystem an seiner Oberseite in der in Pig. 2
gezeigten Ausführung entsteht. Diese Dichtung dichtet einen inneren Raum 28, der das Halbleitersystem enthält, vom Raum
außerhalb der Spannanordnung ab.
Innerhalb der Dichtung 27 ist eine Zusatzdichtung angeordnet,
die den inneren Raum 28 von in der Spannanordnung 18 oder zwischen der Spannanordnung 18 und dem Stromabnehmer 17 eventuell
vorkommenden Spalten abdichtet. Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht
diese Zusatzdichtung aus einer nach oben zu offenen Dose 29 aus Kupfer. Die Dicke der Wand bzw. des Bodens der Dose ist
erheblich kleiner als die des Stromabnehmers. Wie auch in Pig· besteht die Dichtung aus einem ringförmigen Plansch 30 aus Me- %
tall, z.B. Kupfer, der an der Kantenseite des Stromabnehmers festgelötet ist.
Der Raum 26 ist mit einem Plastmaterial 31>
z.B. einer mineralgefüllten wärmehärtbaren Epoociharzpreßmasse (wie CIBA MJ 801
von CIBA AG)- gefüllt oder mit einer mineralgefüllten wärtaehärtbaren
Silikonspritzmasse (wie DC 305 von Dow Corning Corp.). Beim Aufbringen des Plastmaterials wird dieses durch die Dich-
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tungen 27 und 29 bzw. 30 daran gehindert, in den inneren Raum einzudringen. Wie in Pig. 2 dargestellt, ist eine Vertiefung
32 im Plastmaterial angeordnet. Die Vertiefung ist konzentrisch mit dem Verlangerungsteil 25 und dem Anschlußleiter 21.
Falls die Halbleiteranordnung aus einem Thyristor oder einem Transistor besteht, kann ein erforderlicher zusätzlicher Zuleiter
zum Halbleitersystem angeordnet werden, z.B. indem man ihn durch ein für ihn vorgesehenes Loch durch das Plastmaterial
31 und die Spannanordnung 18, den Stromabnehmer 17 und in vorkommenden
Fällen durch die Zusatzdichtung 29 führt.
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Claims (8)
1. Halbleiteranordnung, z.B. eine Kristalldiode, ein Thyristor
oder ein Transistor für große Stromstärken, in der ein halblejtendes
System auf einem Sockel angeordnet ist und ein Stromabnehmer ge{,en die vom Sockel abgekehrte Seite des halbleitenden
Systems mit einer Spannanordnung gedrückt gehalten wird, deren Gegenhr^ter einen mit dem Sockel zusammenhängenden Teil
bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spannanordnung (19» 20) und dem Gegenhalter (23) eine Dichtung (27) aus Isoliermaterial
angeordnet ist, die zwischen der Spannanordnung und dem Gegenhalter zusammengepreßt ist und die einen inneren,
das Halbleitersystem enthaltenden Raum (28) von dem außerhalb der vom Stromabnehmer abgekehrten Seite der Spannanordnung gelegenen
äußeren Raum (26) abdichtet.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (27) aus einer Folie aus Plast oder
Elast besteht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß um die Spannanordnung (19» 20) und den Stromabnehmer
(17) nach dem inneren Raum (28) zu eine Zusatzdichtung (29) angeordnet ist, die innerhalb der Spannanordnung und zwischen
der Spannanordnung und dem Stromabnehmer (17) eventuell vorkommende Spalte von dem inneren Raum abdichtet.
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4· Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzdichtung aus einer nach oben zu offenen Dose
(29) aus metallischem Material, vorzugsweise Kupfer, besteht, in der der Stromabnehmer (17) und die Spannanordnung (19» 20)
angeordnet sind, wobei der Boden der Dose zwischen dem halbleitenden System (10, 11, 12) und dem Stromabnehmer liegt.
5· Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dose (29) mit einem Imprägnierungs· harz imprägniert ist.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusammenhängend mit dem Gegenhalter
(25) in Richtung vom Sockel weg ein Verlängerungsteil (25) angeordnet ist, der außerhalb der Spannanordnung (19, 20) einen nach
oben zu offenen Raum (26) bildet, in dem ein an Ort unü Stelle geformtes Plastmaterial angeordnet ist, beispielsweise ein Duroplast
oder Thermoplast, z.B. ein Epoxiplast, ein Polykarbonatplast, ein Fluorplast oder ein Silikonplast.
7. Halbleiteranoranung nach Anspruch 6, bei der der Stromabnehmer
an einem zentral angeordneten Metallkörper angeschlossen ist, der sich durch eine Öffnung der Spannanordnung und durch
den Verlängerungsteil erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vertiefung ('52) im Plastmaterial angeordnet ist, die sich «wischen Metallkörper (21) und Verlängerung erstreckt.
8. Halbleiteranoranung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, daüurch
gekennzeichnet, daß die Dichtung aus Isoliermaterial sich vorbei am Halbleitersystem auf den Sockel (13) zu erstreckt.
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