DE1953678U

DE1953678U - Halbleiteranordnung.

Info

Publication number: DE1953678U
Application number: DEA18207U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1962-03-30
Filing date: 1962-04-18
Publication date: 1967-01-19
Also published as: CH396220A; US3457474A; GB1011171A; DE1464401A1

Description

Aktiengesellschaft Brown, Boverl^A Cie., Baden (Schweiz)

Halbleiteranordnung

Die ag' betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der das Halbleiterelement beidseitig an den Halbleiterkörper gelötete Trägerplatten aufweist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers 1st und die grossflächig mit ebenen Flächen von Metallkörpern mit einem beliebigen, insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind. . .

Zur Zuführung des Stromes und vor allem zur Ableitung der im Halbleiterkörper entstehenden Verlustwärme muss das Halbleiterelement in gutem elektrischem und thermischem Kontakt mit Metallkörpern stehen wie beispielsweise einem Gehäuseboden und einem Stromzuführungsbolzen oder einer Stromzuführungslitze. Die Verbindung des Halblelterelemen-

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tes mit diesen Teilen wird i«i bekannter Weise durch Lote hergestellt. Aussei einer guten Kontaktgatae haben die Lote noch andere, teilweise widersprechende Bedingungen zu erfüllen. Da jede grosse mechanische Beanspruchung des. Halbleiterkörpers ausgeschlossen werden sollte, erscheint die Anwendung von weichen, duktilen Loten vorteilhaft, insbesondere in Verbindung mit einer an den Halbleiterkörper angelöteten Trägerplatte, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient angenähert gleich demjenigen des Haltoleiteriärpers 1st, also zum Beispiel mit einer aus Molybdän: oder Wolfram bestehenden Trägerplatte, wenn ein Halbleiterkörper aus Silizium vorliegt» Bei einer solchen Anordnung werden die infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerplatte und des mit ihr verbundenen Metallkörpers entstehenden Kräfte von de_r zwischen . beiden liegenden Weichlotschicht aufgenommen. Bei wechselnder thermischer Beanspruchung der Anordnung: zeigen sioh nun in der Lötverbindung infolge plastischen Pliessens und Rekristallisationsvorgängen Ermüdungserscheinungen, die zur Auftrennung der Lötverbindung und damit zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden₀ Insbesondere ist es bekannt. Trägerplatte und Metallkörper durch eine Hartlotschicht zu verbinden, welche durch, die entstehenden inneren Spannungen nicht dauernd verformt wird. Damit diese inneren

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Spannungen in den ifleiallkörper verlegt sind, muss die Trägerplatte ^eine beträchtliche Dicke aufweisen. Dadurch verschlechtert sich aber -der "Wärmeübergang vom Halbleiterelement auf den der Wärmeabfuhr dienenden Metallkörper. Vor allem aber ist Nachteil ig, Täass die zur Vornahme der Hartlötung notwendigen hohen Temperaturen sich schädlich auf die Sperrfähigkeit- der Halbleiterelemente auswirken, sei esr durch Verdampfen von Lot- oder Gehäusematerialien, oder durch Diffusion von-Metallkörpern wie z.B. Kupfer in den: Halbleiter

oder auch durch- Veränderungen des Oberflächenzustandes des Halbleitei*elementes selbst.

Die Halbleiteranordnung gß*eäs&-äe- Erfindung, bei der^ das Halbleiterelement ebenfalls beidseitig an den Halbleiter*- körper gelötete Trägerplatte» aufweist, deren thermischer-Ausdehnungskoe-fifizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers ist und die grossflächig mit ebenen Flächen von Metallkörpern mit einem beliebigen, insbesondere verschiedenem thermischen Ausdehnungskoeffizient verbunden sind, ist gekennzeichnet durcir mindestens eine, die Trägerpla&ten auf die Flächen der Metallkörper pressende Schraubverbindung. .

Es 3äb ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung bekannt geworden, bei denr ein Halbleiterkörper mit Elektrodenplatten versehen wird, die ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkör*

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per haben, bei dem ferner die Elektrodenplatten mit hart angelöteten Auflagen versehen werden, die den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie das metallische, Bauteil, mit welchem das Halbleiterelement zu verbinden ist und das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Halbleiterkörper hat, und bei dem die Auflage mit einem Gewinde versehen wird und mit einem entsprechenden Gegengewinde des metallischen Bauteils verschraubt wird. Durch dieses Verfahren werden demnach Teile verschraubt, die den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, wogegen die Teile mit verschiedenen thermischem Ausdehnungskoeffizienten in bekannter Weise durch eine Hartlötstelle verbunden^ sind, welche die inneren Spannungen aufnehmen muss.

Es ist ferner ein Flächengleichrichter bekannt, bei welchem die Elektrode und der die Verlustwärme abführende Körper lediglich unter Druck aneinander liegen, und bei welchem der für die Wärmeabfuhr bestimmte Körper an der Fläche, mit welcher er sich gegen die Elektrode legt, mit einem durch Lötung oder Schweissung angebrachten Ueberzug aus einem schmiegsamen metallischen Werkstoff versehen ist.

Im Gegensatz hierzu sind bei der Halbleiteranordnung geraäss der «^¥£im2*Hig diejenigen Teile, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen nur durch mindestens eine Schraubverbindung aneinandergepresst. Mangels einer Lotschicht können deshalb irr der gemeinsamen Verbindungsfläche keine

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Ermüdungserscheinungen auftreten. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass trotz Fehlens einer weichen, schmiegsamen Verbindungsschicht der elektrische und thermische Uebergang ausgezeichnet 1st und den bekannten Lötverbindungen nicht unterlegen 1st. Zudem wird eine hohe mechanische. Festigkeit erreicht und jede Gefahr der Verschlechterung des aktiven Halbleiterelementes durch hohe Löttemperaturen vermieden_o Ein weiterer Vorteil der Halbleiteranordnung geraäss der Erfindung ist die leichte Auswechselbarkeit des aktiven Halbleiterelementes, Schliessllch kann für die Metallkörper nicht mir in bekannter Weise Kupfer verwendet werden, sondern insbesondere auch Aluminium, da die schlechte Lötbarkeit von Aluminium nicht mehr von Bedeutung ist«

Die /tsttnawng soll anhand der Pig. 1 bis 5, in welchen Ausführungsbeispiele dargestellt sind, noch weiter erläutert werden.

In Figo 1 ist die am Beispiel eines Halbleiter-Gleichrichters gezeigt. An dem mit einem p-n-Uebergang versehenen Halbleiterkörper 1 aus Silizium sind beidseitig die Trägerplatten 2 und 5 aus Molybdän oder Wolfram angelötet. Diese Trägerplatten sind mit einem Gewindebolzen k bzw.. 5 versehen. Der Gewindebolzen 4 ist in d«m -Gehäuseboden 6 und der Gewindebolzen in den Anschlussbolzen 7 eingeschraubt. Me Anordnung wird vervollständigt durch eine Deckplatte.8, welche mit der in einem Hing 9 gefassten Stromzuführungslitze. 10 verlötet 1st und welche durch einen distanzierenden und isolierenden Ring 11 aus beispielsweise einem keramischen Werkstoff mit dem GeJaäuseboden

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verbunden ist» Der Keramikring 11 kann mit der Deckplatte 8 und dem Gehäuseboden 6 durch eine Metall-Keramik-Verbindung verlötet sein ^ Die genannten Metallkörper Gehäuseboden 6, Deckplatte 8, Anschlussbolzen 7 und Stromzuführungslitze bestehen zweckmässigerwelse aus Kupfer. Die Gewindebolzen 4 und 5 können aus demselben Material wie die Trägerplatten 2 und 5 Gestehen und zusammen mtfc den Trägerplatten als einheitlicher Sinterkörper hergestellt sein.

Zwischen die Flächen der Trägerplg.tten und die angrenzenden Flächen des Gehäusebodens bzw. des Anschlussbolzens können die Scheiben 12 und Ij5j z. B. in der Form von Goldfolien gelegt sein, die eine gleichmassige Verteilung des Druckes gewährleisten. Es hat sich aber gezeigt, dass solche Scheiben zur Gewährleistung eines guten elektrischen und thermischen üeberganges nicht erforderlich sind, wenn die Flächen der Trägerplatten und der angrenzenden Metallkörper hinreichend plan sind.

In Fig. 2 sind awe4 ^weitere Möglichkeiten zur Befestigung der Gewindebolzen an -den Trägerplatten gezeigt, wobei die Gewindebolzen aus einem anderen Material als dasjenige der Trägerplatten bestehen Jcönnen, beispielsweise aus Nickel oder Silber«

In Fig. 2a ist der mit einem konischen Kopf versehene Gewindebolzen -4 -in einer Vertiefung der Trägerplatte 2 hart eingelötet, InJ¹Ig. 2b ist die Trägerplatte aus zwei Teilen 2* und 2^!!

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aufgebaut. Im oberen Teil 2' ist eine Vertiefung vorgesehen, in welcher der Kopf des Gewindebolzens 4 liegt. Die beiden Teile 2¹ und 2" werden zusammen mit dem Kopf des Gewindebolzens durch ein geeignetes Hartlot verlötet.

Um zu verhindern, dass im Laufe der Zeit eine Lockerung der Schraubverbindungen erfolgt,.können die Gewindebolzen 4 und vor dem Einschrauben verzinnt und nach dem Einschrauben mit dem Gehäuseboden und dem Anschlu3sbolzen verlötet werden. Auch sind andere bekannte Sicherungsvorrichtungen für Schraubverbindüngen anwendbar.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung ^eifiäse-^ejs-Ei^iiidung' gezeigt. In dieser Anordnung sind an den Halbleiterkörper 1 ebenfalls beidseitig die Trägerplatten 2 und JJ angelötet. Die obere Trägerplatte 5 ist wiederum mit einem Gewindebolzen 5 versehen, der in den Anschlussbolzen 7 der Stromzuführungslitz*³ 10 eingelötet ist. Die Litze 10 ist mittels des Ringes 9 in die Deckplatte 8 eingelötet, die durch den~keramischen Ring 11 gegenüber dem Gehäuseboden 6 distanziert ist. Die untere Trägerplatte 2 ist durch einen auf ihrem über den Halbleiterkörper 1 hinausragenden Hand liegenden Ring 14 mittels der Schrauben 15# deren Anzahl mindestens 5 betragen soll, auf den Gehäuseboden 6 gepresst» Zur gleichmässigen Verteilung des Druckes können als Zwischenlagen die Scheiben 12 und 13 vorgesehen werden.

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In der Sm Fig. k ge ze igte« Ausführung ist- das au& dem Halbleiterkörper 1 und den beiden angelöteten Trägerplatten- 2 und 3 bestehende Halbleiterelement durch eine auf der oberen Trägerplatte jj liegende-elastische Deckplatte 16 auf den mit-der~ unteren Trägerplatte 2- £n Berührung- stehenden Gehäuseboden 6 mittels mindestens drei Schrauben ¥t gepresst. Zur" Vermeidung: einer ZugbeansprtiehtKig des zur Isolationr tmC Distanzierung^ vorr-

& slnd^ die- Deckplatte ϊ6>. der Keraraikder" Gehäuseboden C durch die-mit denXsalierstülrumgebenen-Schrauben 17 ztiaammengelatten^ Die Hinge 20-und dienen- der^ gleichmässigßÄ Druckverteilung: araf dert Isolier^

auch nötigenfalls zwischen die Trägerplatten und die Metallkörper- die Sicheiben 12 und 15 gelegt, sein können. Die Stromzuführung erfolgt über die I4tze IP und den Anschluss*, bolzen 1, welcher mit der der Trägerplatte J abgewendeten Seite der Deckplatte 1β zweckmässigerweise durch Hartlötung verbunden 1st* Da die -obere "Trägerplatte 5 keine mechanischen Kräfte aufnehmen muss und auch nicht init einem Gewindebolzen versehen ist, kann sie wesentlich dünner als die untere"Trägerplatte 2 sein. Dadurch ergibt «ich in vorteilhafter Welse eine sehr kompakte Halbleiteranordnung.

lö.,Flg. 5 1st -schliesslieh ein Äusf&hfungsbeispiel geneigt, bei welchem eine Schraube isoliert ±n dein ^inen Metallkörper liegt, isoliert -durch eine in der 4S3.i£fce des liegende Bohrung geführt 1st «nd In den anderen eingeschraubt "1st. Dies« Balblelteranoränung umfasst

als unteren T&XX den Gehguseboäe» & aus- Kupfer^ der mit einem Gewindebolzen- zum- EinscEtraut?en irfc einert Kühlkörper versehen und dejt im wesentliche» zjFliadriscfrea Hartglsr&teil 22, der dem Gehäuseteil 6 durch- ^as-Meta^^^ersacftmelÄungen- uerhundeni&t. Der^ abere Teil der-Haifotgiteranordmmg: setshfc sich im weitere» axis eine» oberen-- Stromansofeluaabolzen 2Jt aus. Kugf er^ einent

!Beil 2# aus^ iöjipireri£fcze und? ednem unter&n 25 ebenfaüEB- aiEs^ilt^ier- Kus
bolzerv 2> iat eln^ z^tindriscther- ^umpafe&ngeE.2e-e^nselötete Ferner einet axt de» oberen? ÄnscÄius&bsdizen- 2J dle^ und^ 28 durch f^las-Metalrl^fersc^ietzimgen: un(f Schmelzungen angebraTeht.- Sowohl Oe^- LJLfrzenteil 24^ wier aaeh= deruntere Ansohlua&bölzen: 25 weiEieir eSrm konzentriaesfte- Bohrung die, sich int unteren AnschlussbOhizen? unfeeir Bildung: einesverengt^ X)er obere und: untere Teß
durch dieJKovar^Hsrtglas^erscttmelzun^ 29t

ΑυΓ" dent' GehStuseboeden β ^iegt, da^ aiohj ausb aus: Silicium und, den befdsieitig^ ange^l(Jt.etenr Trä^gerrp^latten 2: untt y aus, Möly$)däD: oder^ Vfo-lf3?aHt- zusamEnensetzende^ HsiOxEeiterjeleraoiatt^ Das Halbleiterelement, weiart ebenjfalls eine konzentrische Bohrung auf ^ Im Gnehäuseboderr 6- tstLeirt tit der gleichen Achsegende& GewincCerlach gebohrt*- K£e Bohrung int unterenbalzen 25- und, im- iialB^ttejEelfimenfe tsK etureh- eise- HiEfcsa

bet&ix£eiswe£se^ Keramik

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die in den Gehäuseboden geschraubte Schraube 21 ist der untere Anschlussrbolzen 25 auf die Trägerplatte ]5 und die untere Trägerplatte 2 auf den Gehäuseboden 6 gepresst. Durch die Scheibe j52 wie auch durch die Scheiben 12 und 15 wird eine gleichmässige Druckverteilung gewährleistet.

Der Zusammenbau der in Fig. 5 gezeigten Halbleiteranordnung erfolgt in der folgenden Reihenfolge: An den Gehäuseboden 6 werden die Hartglasteile 22, 27 und 28 angebracht. Der Halbleiterkörper 1 mit den angelöteten Trägerplatten 2 und 3 wird auf den Gehäüseboden*6 gelegt, gegebenenfalls unter Beilage der Scheiben 12 und 12. Der aus dem Stromanschlussbolzen 25, mit dem Pumpstengel 26, der Litze 24, dem unteren Anschlussbolzen 25- und der Isolierhülsa 30 zusammengesetzte obere Teil wird aufgesetzt und mit dem Halbleiterelement und dem Gehäuseboden mittels der Schraube Jl verschraubt. In einem Lb'tprozeas wird der obere Anschlussbolaen 2> mit dem Hartglastteil verbunden. Nach einem Aushelzpraaess wird schliesslleh der Pumpstengel 26 abgequetscht.

Durch Kombination der beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich noch weitere Halbleiteranordnungen gemäss der Erfindung verwirklichen. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Beispiele von Halbleiter-Flächengleichrichtern, sondern lässt sich ebenfalls bei anderen Halbleiteranordnungen wie Leistungstransistoren und steuerbaren Haibleitergleichrichtern in gleich vorteilhafter Weise anwenden.

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Claims

1. Halbleiteranordnung, bei der das Halbleiterelement beidseitig an den Halbleiterkörper gelötete Trägerplatten aufweist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers ist und die grossflächig mit ebenen Plächen von Metallkörpern mit einem beliebigen, insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind, gekennzeichnet durch mindestens eine die Trägerplatten auf die Flächen der Metallkörper pressende Schraubverbindung.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten einen in die Metallkörper geschraubten Gewindebolzen aufweisen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerplatte durch einen auf ihrem über den Halbleiterkörper hinausragenden Rand liegenden und durch mindestens drei Sehrauben mit dem" Metallkörper verbundenen Ring
auf den Metallkörper gepresst ist.

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4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement durch eine auf der einen Trägerplatte liegende elastische Deckplatte auf den einen, mit der anderen Trägerplatte in Berührung stehenden Metallkörper durch mindestens drei, die Deckplatte und diesen Metallkörper verbindende Schrauben gepresst ist, wobei der andere Metallkörper mit der der Trägerplatte abgewendeten Seite der Deckplatte durch Hartlötung verbunden ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraube isoliert in dem einen Metallkörper aufliegt, isolier¹ durch eine in. der Mitte des Halbleiterelementes liegende Bohrung geführt ist und in den anderen Metallkörper eingeschraubt ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, oder einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallkörper aus Aluminium besteht.

7· Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, oder einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerplatten und den Flächen der Metallkörper druckverteilende Scheiben angeordnet sind♦ ■

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & GIS.