DE1951291A1 - Halbleiterbauelement mit mindestens zwei Halbleiterkoerpern - Google Patents

Description

6872-69/R/Ro.

US-Ser.No. 766 786
Piled: October 11, 1968

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Halbleiterbauelement mit mindestens zwei Halbleiterkörpern.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit zwei oder mehr Halbleiterkörpern.

Halbleiterbauelemente, die mehrere Halbleiterkörper enthalten, sind bekannt. Bei solchen Bauelementen sind die Halbleiterkörper im allgemeinen auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und die elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleiterkörpern sind mit Hilfe von Verbindungsdrähten hergestellt. Bei diesen Einrichtungen ergibt sich jedoch der Nachteil, daß verhältnismäßig große Substrate benötigt werden, die wiederum zu großen Bauelementen führen, und außerdem, daß die Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleiterkörpern verhältnismäßig teuer kommt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der Halbleiterkörper in Bezug zueinander günstiger zu gestalten und die Kosten des Bauelements zu erniedrigen*

Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement umfaßt mindestens zwei Halbleiterkörper und einen zwischen diesen beiden Halbleiterkörpern angeordneten Isolierkörper. Die beiden Halbleiterkörper sind mittels eines festen leitenden Materials, das sich durch den Isolierkörper erstreckt und mit diesem und den beiden Halbleiterkörpern verbunden ist, elektrisch miteinander und mechanisch mit dem Isolierkörper verbunden.

009847/0852

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Pig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung einiger Teile des Bauelements gemäß Fig. 1 zur Veranschaulichung ihres Zusammenbaus; und

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein fertig montiertes Halbleiterbauelement 10 mit einem Substrat 12, beispielsweise aus nickelplattiertem Stahl, auf dem ein beispielsweise aus Silizium bestehender Halbleiterkörper 14 sitzt. Der Halbleiterkörper 14 bildet ein bekanntes Thyristorsystem. An seiner oberen Fläche 16 ist in der Mitte ein Lötmittel 20, beispielsweise Blei, angeordnet und mit der Toroder Steuerzone des Halbleiterkörpers verbunden; entlang dem Umfang der oberen Fläche 16 ist eine ringförmige Metallelektrode 22, beispielsweise aus Kupfer, angeordnet, die mit der Kathodenzone des Halbleiterkörpers verbunden ist. Die untere Fläche 24 des Halbleiterkörpers 14, die an seine Anodenzone anschließt, ist an das Substrat 12 gelötet.

Auf dem Halbleiterkörper 14 ist innerhalb der ringförmigen Kathoden-Elektrode 22 ein flacher Ring 30 aus isolierendem Werkstoff, beispielsweise aus Aluminiumoxid-Keramik, angeordnet. Die untere ebene Fläche 32 des Rings 30 liegt auf der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 14 auf, während seine obere Fläche 34 entsprechend der Dicke des Rings 30 oberhalb der oberen Fläche 36 der Kathoden-Elektrode 22 zu liegen kommt. Die Innenseite des ! Rings 30 ist metallisiert, beispielsweise mit Molybdän, und der Ring 30 ist mit Hilfe des Lötmittels 20 an seinem Platz fast verlötet.

Auf dem Ring 30 ist ein.zweiter Halbleiterkörper 40 angeordnet, und zwar im beschriebenen Beispiel ein Transistor mit unbeschalteter Basis, wie er auch als Triggerdiode bekannt ist. Die untere Fläche 42 des Halbleiterkörpers 40, die mit einer

009847/0352

ersten Zone des Halbleiterkörpers in Verbindung steht, ist mit Hilfe des Lötmittels 20 an den Ring 30 angelötet und elektrisch mit der Torzone des Halbleiterkörpers 14 verbunden.

An die obere Fläche 45 des Halbleiterkörpers 40, mit der eine zweite Zone des Halbleiterkörpers in Verbindung steht, ist beispielsweise durch Löten ein Anschlußdraht 44 elektrisch und mechanisch angeschlossen. Wie bekannt, arbeiten Triggerdioden in beiden Richtungen und die erste und die zweite Zone des Halbleiterkörpers 40 sind, je nach der an diesen angelegten Spannungspolarität, entweder Emitter- oder Kollektorzonen.

Mit der Kathoden-Elektrode 22 des Halbleiterkörpers 14 ist beispielsweise durch Löten ein Anschlußdraht 46 verbunden. Die beiden Anschlußdrähte 44 und 46 sind mit Anschlußklemmen 47 bzw. 48 verschweißt oder sonstwie verbunden, die ihrerseits dicht und isolierend durch das Substrat 12 geführt sind.

Ein Gehäuse (nicht dargestellt) für das fertigmontierte Halbleiterbauelement 10 kann im wesentlichen aus einer das Element einschließenden festen Masse eines wärmehärtbaren Kunststoffs be-* stehen.

Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist der Ring 30 mit einem festen Metallkern, beispielsweise aus Kupfer, versehen, der stiftartig die mittlere Öffnung des Rings durchsetzt. Die Halbleiterkörper 14 und 40 sind hierbei an den metallenen Stift angelötet.

Anhand von Fig. 2 wird der Zusammenbau des Halbleiterbauelements 10 beschrieben. Die Halbleiterkörper 14 und 40 werden unter Anwendung bekannter Verfahren mit Lötmittelüberzügen wie folgt versehen: Ein Überzug 50 an der unteren Fläche 24 des Halbleiterkörpers 14; ein Ring 42 aus Lötmittel, der die Kathodenzone an der oberen Fläche 16 des Halbleiterkörpers 14 bedeckt; ein Lötraittelkleks 54, der die Torzone an der oberen Fläche 16 des Halbleiterkörpers 14 bedeckt; und Überzüge 46 und 48, die die obere bzw. die untere der Flächen des Halbleiterkörpers 40 bedecken. Der Überziehungsprozeß kann beispielsweise die Verfahrensschritte umfassen, daß an den Oberflächen des Halbleiterkörpers eine dünne Nickelplattierung vorgesehen wird und der Halbleiterkörper in ein

009847/0852

Lötbleibad getaucht wird. Das Verfahren der Herstellung der Überzüge hat zur Folge, daß die Lötmittelüberzüge eine allgemein konvexe Form haben. Auch die Oberfläche 36 der Kathoden-Elektrode 22 ist mit einem .Lötmittelüberzug 59 versehen.

Der Halbleiterkörper 14 wird auf das Substrat 12 gelegt und die ringförmige Elektrode 22 wird auf dem Lötmittelüberzug 52 des Halbleiterkörpers angeordnet. Als nächstes wird der keramische Ring J)O an seinem Platz in der ringförmigen Elektrode 22 so eingesetzt, daß er den Lötmittelkleks 54 umgibt. Sodann wird der Halbleiterkörper 40 oben auf den Ring j50 aufgesetzt, wobei die konvexe Masse des Lötmittelüberzugs 58 am Halbleiterkörper 40 von der mittleren Öffnung des Rings aufgenommen wird und so der Halbleiterkörper 40 am Ring 30 automatisch zentriert ist.

Die Zentrierung des Halbleiterkörpers 40 auf dem Ring '30 ist zwar zu bevorzugen, für sie besteht jedoch keine Notwendigkeit, da der Ring 30 dicker als die ringförmige Kathoden-Elektrode 22 ist (Fig. 1), so daß der Halbleiterkörper 40 kaum die Kathode 22 berühren und so über das Lötmittel 20 die Kathodenzone und die Torzone des Halbleiterkörpers 14 kurzschließen kann.

Sodann werden die Anschlußdrähte 44 und 46 an die Anschlußklemmen 47 bzw. 48, beispielsweise durch Schweißen, angeschlossen und mit ihren vorderen Enden in Berührung mit den Lötmittel-Überzugsflächen auf dem Halbleiterkörper 40 bzw. auf der Elektrode 22 gebracht. Es ist möglich, in der Zeichnung nicht dargestellte Einspannvorrichtungen zu verwenden, um die zu montierenden Teile leichter stapeln zu können.

Der Aufbau wird sodann erhitzt und die verschiedenen Lötmittelüberzüge schmelzen. Die untere Fläche 24 des Halbleiterkörpers 14 wird so mit dem Substrat 12 und die ringförmige Kathoden-Elektrode 22 mit der Kathodenzone des Halbleiterkörpers 14 verlötet; der Lötmittelkleks 54 am Halbleiterkörper 14 und der Lötmittelüberzug 58 am Halbleiterkörper 40 verschmelzen in der mittleren öffnung des Rings 30 zur Bildung der Verbindung aufgrund des Lötmittels 20 (Fig. l). Das Lötmittel 20 benetzt die metallisierte Innenseite des Rings J50 und verbindet die beiden Halbleiter körper l4 und 40 und den Ring 30 fest miteinander, so daß eine

009847/0852

starre Dreielementschichtung entsteht. Die Mittelöffnung des Rings 30 bildet einen Schacht für das vom Halbleiterkörper 40 ablaufende geschmolzene Lötmittel, so daß kaum mehr eine Möglichkeit besteht, daß geschmolzenes Lötmittel vom Überzug 58 an der Außenfläche 60 des Halbleiterkörpers 40 aufwärts fließt und die erste und die zweite Zone dieses Halbleiterkörpers kurzschließt. Der Ring 30 verhindert außerdem, daß das geschmolzene Lötmittel 20 von innerhalb des Rings 30 oder Lötmittel vom Lötmittelring 52 außerhalb des Rings 50 entlang der oberen Fläche des Halbleiterkörpers 14 fließt und so die Tor- und die Kathodenzone dieses Halbleiterkörpers kurzschließt.

Die Anschlußdrähte 44 und 46 werden ebenfalls während der Hitzbehandlung an den Halbleiterkörper 40 bzw. die Elektrode 22 angelötet.

Fig. 3 zeigt ein Gleichrichterbauelement 84 mit drei aufeinandergestapelten Gleichrichterkörpern 85, 86 und 87, die mit zwischen jeweils zwei Gleichrichterkörpern und an den Enden des Bauelements angeordneten Keramikringen 30 zu einer vertikalen Säule zusammengebaut sind. Die Gleichrichterkörper 85* 86 und 87 sind von bekanntem Aufbau und haben je eine mit der Kathode des Gleichrichterkörpers verbundene obere Fläche 28 und eine mit der Anode des Gleichrichterkörpers verbundene untere Fläche 90. Die oberen Flächen 88 der Gleichrichterkörper 86 und 87 sind durch Massen von Lötmittel 92 durch die mittleren öffnungen der Ringe 30 mit den unteren Flächen 90 der Gleichrichterkörper 85 bzw. 86 verbunden. Die Gleichrichterkörper 85, 86 und 87 sind also in Reihe angeordnet und geben dem Bauelement 84 eine Spannungsbelastbarkeit in der Größenordnung der Summe der Spannungsbelastbarkeiten der einzelnen Gleichrichterkörper im Stapel. Zum Anschließen des Bauelements sind zwei Anschlußdrähte 94 und 95 mit den Flächen 88 bzw. 90 der End-Gleichrichterkörper des Stapels verbunden. Ein Gehäuse für das Bauelement 84 besteht aus einer langgestreckten Hülse 96 aus isolierendem Material, wie beispielsweise aus Aluminiumoxid-Keramik, und aus den zwei Endringen 30. Die Anschlußdrähte 94 und 95 erstrecken sich dicht durch das in di· öffnungen der Ringe eingefüllte Lötmittel 92 hindurch aus dem Halbleiterbauelement heraus.

009847/0,8 52

Claims (6)

1. Patentansprüche

   Halbleiterbauelement mit mindestens zwei Halbleiterkörpern, gekennzeichnet durch jeweils einen Isolierkörper (30), der zwischen den Halbleiterkörpern (14, 40; 85, 86, 87) angeordnet ist, und durch Leiterteile.(20, 92), die sich durch den isolierenden Körper erstrecken und mit diesem und den Halbleiterkörpern verbunden sind.
2. 2.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper aus einem scheibenförmigen Ring (30) besteht und die Leiterteile durch Metall (20), das die öffnung des Rings füllt, gebildet sind und daß die Halbleiterkörper (14, 40) einen starren Dreielementenstapel bilden.
3. 3.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (j50) zwei Außenflächen (32, 34) und eine sich zwischen diesen Außenflächen durch ihn durch erstreckende Bohrung aufweist, die mit den Leiterteilen in Form von festem, elektrisch leitendem Material (20) gefüllt ist, daß eine (32) der Außenflächen des Isolierkörpers an einem ersten (14) der Halbleiterkörper anliegt, von dem ein Teil (54) mit dem leitfähigen Material (20) verbunden ist, und daß an der anderen (34) der Außenflächen des Isolierkörpers (30) ein zweiter (40) der Halbleiterkörper unter Einhaltung eines durch den Isolierkörper gegebenen Abstands vom ersten Halbleiterkörper (14) angebracht ist und mit dem leitfähigen Material (20) verbunden ist.
4. 4.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Bohrung im Isolierkörper (30) an dessen einer Fläche (32) über dem entsprechenden Teil (54) dieses Halbleiterkörpers (l4) angeordnet ist und. der zweite Halbleiterkörper (40) über der Mündung der Bohrung in der anderen Fläche (34) des Isolierkörpers (30) angeordnet ist, und daß das leitende Material den Isolierkörper und die Halbleiterkörper mechanisch miteinander verbindet.
5. 5.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich am ersten Halbleiterkörper (14)

   009847/0852

   im Abstand von jenem Teil (54) eine Elektrode (22) befindet und
   der Isolierkörper (30 ) auf diesem Halbleiterkörper (14) zwischen der Elektrode (22) und jenem Teil (54) angeordnet ist.
6. 6.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (j50) dicker ist als'die Elektrode (22) und so der zweite Halbleiterkörper (40)
   außer Berührabstand mit der Elektrode (22) ist.

   009847/0852

   L e e r s e i t e