DE2006700A1

DE2006700A1 - HaIb le iteranordnung

Info

Publication number: DE2006700A1
Application number: DE19702006700
Authority: DE
Inventors: Lucien Vitry Portugals (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1969-02-19
Filing date: 1970-02-13
Publication date: 1970-09-03
Also published as: NL7002037A; FR2032139A5; CH505464A

Description

PATENTANWÄLTE

DR. MÜLLER-BORi? · DR. MANITZ · DR. DEUFEL i!PL-ING. FESTER·./AUJ-. DIPL-INQ. GRÄMKOW .

RV/MBJ 8 MÜNCHEN 22, HCEERT-KOCH-STR. 1 2006700

P 4386 TELEFON 225110

13. Feb. WO

-■COMPAGNIE ■ GEHERALE D'ELECTRICITE 54, rue La Bo.etie;, Paris (8), Frankreich

HALBLEITERANORDNUNG

Die {Erfindung .bezieht sich, auf Halbleiteranordnungen im Bllgeraeinen und insbesondere auf Anordnungen von Lei-

wie vtrr aOLlem Transistoren, Dioden und .

S is* belcann-b, dass .ein

feeisvpieiLsweis;© Äine Scheibe aus einem HalbleiiiermaAaria.1 mit einem oder mehreren, nach bekannten Verfahren hergestellten übergängen, Jferner j&ine oder izwei Gegenelektroden ,aus feuerf.e;stem Material, ,wie z.B. Wolfram oder Molybdän, aufweist, zwischen zwei Häuptstromzufuhrelektroden einge.baut werden muss. Das Halbleiter-Bauelement kann auf eine ■Plektrode geschweisst werden, während die andere ■Elektrode unter Druck auf dem Halbleiter-Bauelement angebracht oder ebenfalls mit ihm verschweisst wird. .

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Das Halbleiter-Bauelement kann ebenfalls, und zwar ohne Schweissen, in ein Gehäuse mit einem Sockel und einer Abdeckung sowie Druckvorrichtungen im Innern des Gehäuses

. eingebaut werden.

Wenn das Halbleiter-Bauelement durch WeichlÖtung auf einer Elektrode oder ejrem Sockel angebracht wird, der oft einen Gewindestift aufweist, verursachen die aufeinanderfolgenden thermischen Beanspruchungen, die das Halbleiter-™ Bauelement bei seinem Gebrauch erfährt, einen Bruch wegen Nachgebens der Lötstelle; dieser Bruch kann durch Hartlötung vermieden werden> und zwar zusammen mit einer zweckmässigen Dimensionierung der verschiedenen, das Halbleiter-Bauelement bildenden Teile. Fine andere Lösung zur Vermeidung von Bruch durch Wärmebeanspruchung besteht darin, nicht zu schweissen, sondern Druckvorrichtungen im Innern des Gehäuses zu verwenden, in welches das Halbleiter-Bauelement eingebaut ist, um den Kontakt mit dem Sockel herzustellen.

Auf welche Weise auch immer der Kontakt zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem Sockel hergestellt wird, durch Schweissen oder Druck, so können doch dauernde mechanische Verformungen am Sockel auftreten, die die Lebensdauer der Anordnung bedeutend herabsetzen. Diese Verformungen entstehen beim Schliessen des Halbleitergehäuses und beim Montieren des Gewinde so ckels auf eine Vorrichtung zur Kühlung der Anordnung während ihres Betriebs.

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Das Schliessen,des Halbleitergehäuses ist eine Hauirfcursache für ständige Verformungen, denn. z.Zt. bes.teht das Gehäuse der meisten Leistungs-Halbleiteranordnungen aus einer Abdeckung und einem Sockel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Gewindestift.

Die Abdeckung weist im allgemeinen ein zylindrisches

. Isolierten aus Keramik, eine Metallkappe und einen mit einem Fetallring des Sockels elektrisch verschweissten Metnllflansch auf. Das Material, aus dem der Flansch der Abdeckung und der Metallring des Sockels hergestellt sind, ist im allgemeinen Ferronickel.'Das elektrische Verschwcissen des Flansches mit dem Ring geschieht unter Ausüben eines kräftigen Drucks zwischen dem Flansch und dem Sockel, so

■ dass der Flansch auf den Tting geuresst wird. Dieser Druck von mehreren hundert Bar verursacht Verformungen der ebenen

- Flnche des Sockels, vor allem auf der Höhe seines Kontakts mit dem Halbleiter-Bauelement· diese Verformung, die mehrere zehn Mikron erreichen kann, wird auf einem nur dem Schweissdruck unterworfenen Sockel mittels eines -polarisierenden Lackes und eines Polariskops sichtbar gemacht* die .Beob?chtung der Isoklinen- und Isochrcnonnetze ermöglicht, die Beanspruchungen zu lokalisieren und zu berechnen. In einer verschweissten Anordnung tritt diese Verformung an der Schweisstelle zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem Sockel auf..Tn einer Anordnung mit Druckvorrichtungen wird im allgemeinen zwischen dem Halbleiter-Bäuelementvimd'dem

- ■ - BAD .ORIQlNAU .. ·/·

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Sockel ein Weichraetallring untergelegt, der ein guter Strom- und wärmeleiter ist _f wie beispielsweise Silber.

Fig. 1 stellt einen Sockel dar, der noch keinen Schweissdruck erfahren hat. Fig. 2 stellt denselben Sockel nach Anwendung des Schweissdruckos dar, der in Richtung des Pfeiles 1 auf den Ring 2 erfolgt? aus dieser Fig. ist ersichtlich, dass die Fläche 4 des Sockels gebogen ist, während sie beim Sockel der Fig. 1 eben ist: sie ist in der Mitte dicker als an den Rändern, und der Unterschied kann bis zu mehreren zehn Mikron betragen.

Das Montieren der Anordnung auf einen Kühlkörper kann eine zweite Ursache für die Dauerverformung des Sockels sein, wenn keine Vorsichtsmassnahmen getroffen werden. Zur Kühlung der Anordnung wird diese, sofern der Sockel einen Gewindestift aufweist, auf einen Kühlkörper geschraubt; und ein guter elektrischer und thermischer Kontakt zwischen dem Sockel der Anordnung und dem Kühlkörper wird durch die Ebenheit der gegenüberliegenden Flächen und dadurch gewährleistet, dass der Kontakt auf den gesamten Flächen hergestellt wird. Y.'ehn das Anschrauben des Sockels der Anordnung erfolgt, ohne das ausgeübte Anzugsdrehmoment zu überwachen, kann eine Dauerverformung des Sockels auftreten, wie sie Fig. 3 zeigt. Auf dieser Fig. ist die Fläche 5 gebogen, und zwar hat sie sich in der Kitte gesenkt. Um dies zu vermeiden, geben die Hersteller von Halbleitervorrichtungen das Anzugsdrehmoment an, das nicht überschritten werden darf.

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Die Erfindung vermeidet solche Verformungen dadurch, dass der Sockel eine besondere Form erhält, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung die Sockelfläche ' umgibt, die das Halbleiter-Bauelement aufnimmt und ■ so eine Erhöhung gebildet wird, dessen Höhe im Verhältnis zu derjenigen der sie umgebenden Vertiefung, und zwar gemessen vom Boden der Vertiefung, gleich oder grosser als 0,40 ist und dessen Länge im Verhältnis zu derjenigen des Sockels, d.h. der Erhöhung tdIus derjenigen der Vertiefung, gleich oder kleiner als 0,88 ist. ■

Bei einem kreisförmigen Halbleiter-Bauelement ist die Vertiefung ebenso wie die Erhöhung kreisförmig, und das' Verhältnis des Durchmessers der Erhöhung zum· Innendurchmesser des Sockels ist gleich oder kleiner als. 0,88.

Die Vertiefung kann ebenfalls ein snderes !Profil aufweisen, um die auf den Sockel ausgeübten Beanspruchungen so zu verteilen, dass sie auf der Erhöhung möglichst gering sind, ohne dass grosse Abmessungen erreicht werden, die einen zu grossen Platzbedarf der Halbleiteranordnung mit sich bringen. Daher sind zwischen dem Boden der Vertiefung und der erhöhten Fläche mehrere Stufen vorgesehen, oder aber der Übergang vom Boden der Vertiefung zur Erhöhung kann progressiv erfolgen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgen nachstehend einige Ausführungsbeispiele. . - Fig. 4 stellt einen erfindungsgemässen Sockel dar, der

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eine Vertiefung von rechtwinkligem Querschnitt aufweist.

- Fig. 5 stellt einen erfindungsgemässen Sockel dar, bei dem der Querschnitt der Vertiefung Stufen aufweist.

- Fig. 6 stellt einen erfindungsgemässen Sockel dar, bei dem der Querschnitt der Vertiefung einen schrägen Teil aufweist.

- Fig. 7 stellt eine erfindungsgemässe Halbleiteranordnung oder Leistungsdiode dar.

i, Fig. 4 stellt die einfachste Form eines erfindungsgemässen Sockels dar, der beispielsweise eine kreisförmige Vertiefung 6 aufweist. Diese Vertiefung begrenzt eine Erhöhung 7 mit einem Durchmesser d und einer Höhe X; der Aussendurchmesser der Vertiefung 6 ist mit D und ihre Höhe mit Y bezeichnet. Nach der Erfindung ergibt sich folgendes Verhältnis

ρ < 0,88 und) γ 0,40

Fig. 5 stellt einen Sockel dar, dessen kreisförmige, * eine Erhöhung ° begrenzende Vertiefung 8 zwischen dem Boden der Vertiefung und der Oberfläche 10 der """rhohung 9 drei Stufen aufweist. Wie oben ergibt sich zwischen den Abmessungen der Vertiefung und denen der ^höhung folgendes Verhältnis

£j < 0,88 und > γ 0,40

Fig. 6 ist ein Sockel, dessen die Erhöhung 12 begrenzende kreisförmige Vertiefung 11 ein abgestuftes

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Profil 13 zwischen seinem Boden und der Oberfläche 14 der Erhöhung 12 aufweist. Bas Verhältnis zwischen den Abmessungen der Vertiefung¹ und denen der Erhöhung ist wieder folgendes

I < 0,88 und> I 0,40

Bei den beiden letzteren Beispielen nach Fig. 5 und 6 wird eine noch bessere Verteilung der auf den Sockel wirkenden Beanspruchungen erzielt als mit dem Sockel laut * Fig. 4. ¹^s ist folglich möglich, der Erhöhung 9 der Fig. 5 bzw. 1? der Fig. 6 und dem entsprechenden Sockel Mindestabmessungen zu geben, die gleichzeitig mit den Abmessungen des Halbleiter-Bauelements, das mit der Erhöhung in Kontakt steht, und den auf den Sockel ausgeübten Kräften, und zwar hauptsächlich bei der Verschweissung der Abdeckung, verein-r bar sind. ....,-

Fig. 7 stellt eine erfindungsgemässe Halbleiteranordnung oder Leistungsdiode dar. Die Anordnung besteht aus einem Halbleiter-Bauelement 20, das auf die Erhöhung 21 des Kupfersockels 22 geschweisst ist, welcher einen Gewindestift 23 aufweist: eine Abdeckung 24 umfasst eine Metallkappe 25, einen Isolierkörper 26, _Z.B. aus Keramik, und einen mit einem auf den Sockel 22 gelöteten Metallring 28 elektrisch verschweissten Flansch 27? eine auf die Kappe 25 gelötete Zwinge umgibt eine äussere Litze 30, welche die < Anordnung an einen Pol einer Stromquelle anschliesst, während der andere Pol der Stromauelle mit dem Gewindestift

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23 verbunden ist- eine innere Litze 31 wird ebenfalls von einem Fnde der Zwinge 29 und am anderen "Finde ^von einer Zwinge 3? umgeben, die mit dem Halbleiter-Bauelement 20 verschweigst ist.

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Claims

1J Halbleiteranordnung, die ein Halbleiter-Bauelement wie eine Diode oder einen Thyristor aufweist und dicht von einem aus einem Sockel und einer Abdeckung bestehenden Gehäuse umschlossen ist, wobei das Halbleiter-Bauelement entweder mit dem Sockel verschweisst ist oder mittels im Gehäuse vorgesehener Druckvorrichtungen mit dem Sockel in Kontakt steht, wobei die Abdeckung mit dem Sockel elektrisch verschweisst ist und dabei ein erheblicher Druck auf die Abdeckung ausgeübt wird, um sie auf den Sockel zu drücken, der für seine Anbringung auf einem Kühlkörper einen Gewindestift aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel eine Vertiefung aufweist, die eine Erhöhung begrenzt, deren Höhe im Verhältnis zu · derjenigen der Vertiefung gleich oder grosser als 0,40 ist, wobei die Höhe jeweils vom Boden der Vertiefung gemessen, ist, und deren Länge im Verhältnis zu derjenigen des Sockels, d.h. die Länge der Erhöhung vermehrt um die doppelte Breite der Vertiefung, gleich oder kleiner als 0,88 ist. ·

2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Vertiefung und die von der Vertiefung begrenzte Erhöhung kreisförmig sind.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichne t, dass der Boden der Vertiefung ¹ eben ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung zwischen
ihrem Boden und dem oberen Teil der Erhöhung Stufen auf-

! weist.

5. Anordnung nach Ansnruch 1 oder ?_f dadurch

™ gekennzeichnet, dass ein fortschreitender

Übergang vom Boden der Vertiefung zum oberen Teil der
Erhöhung stattfindet.

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