DE2014289A1 - Scheibenförmiges Halbleiterbauele ment und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Scheibenförmiges Halbleiterbauele ment und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE2014289A1 DE19702014289 DE2014289A DE2014289A1 DE 2014289 A1 DE2014289 A1 DE 2014289A1 DE 19702014289 DE19702014289 DE 19702014289 DE 2014289 A DE2014289 A DE 2014289A DE 2014289 A1 DE2014289 A1 DE 2014289A1
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Description

SEMIKRON Ges. f. Gleiclirichterbau u. Elekt%4>ki# &ΜΓΤ
8500 Nürnberg , Wiesentalstr. kO Telefon 0911/37781 - Telex 06/22155
f-19. März 1970
K 17001
Scheibenförmiges Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Scheibenförmige Halbleiterbauelemente, insbesondere Gleichrichterbauelemente hoher Strombelastbarkeit sind aufgrund ihres im all gemeinen symmetrischen Aufbaus in vorteilhafter Weise in unterschiedlichen Kühlanordnungen verwendbar und ermöglichen eine optimale Ableitung der Verlustleistungswärme an beiden Seiten des Halbleiterkörpers.
Es sind Anordnungen bekannt, bei denen die Halbleiterscheibe mit beidseitig an ihr befestigten Kontaktplatten, die aus einem Material mit einer derjenigen des Halbleitermaterials annähernd gleichen Wärmedehnzahl bestehen, gasdicht zwischen membranförmigen Kontaktblechen angebracht ist, die in einen ringförmigen Isolierstoffkörper hineinragen und mit diesem durch Lötung verbunden sind. Die gehäuseäußeren Flächen der Kontaktbleche dienen zur flächenhaften Anlage von Stromleiterteilert.
Weiterhin sind Ausführungsformen bekannt, bei denen die an beiden Seiten der Halbleiterscheibe befestigten Kontaktplatten an ihrer Randzone über kreisringförmige Verbindungsbleche durch Lötung oder Schweißung mit einem ringförmigen Isolierstoffkörper verbunden sind und die freie Stirnfläche der Kontaktplatten jeweils zur Kontaktierung mit Stromleiterteilen dient.
Andere bekannte Anordnungen zeigen anstelle des einen ringförmigen Isolierstoffkörpers zwei achsengleich aneinandergereihte Isolier-
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. Jz
ringe, die an ihren einander zugewandten Flächen über metallische, nach außen und "bedarfsweise auch nach innen überstehende Kreisringscheiben fest miteinander verbunden sind.
Bei weiterhin bekannten, scheibenförmigen Halbleiterbauelementen sind die als Deckplatten des Gehäuses vorgesehenen und vorzugsweise membranförmig ausgebildeten Kontaktbleche an ihrer Randzone über einen Isolierstoffring geführt und, unter Einhaltung eines ausreichenden gegenseitigen Isolationsabstandes, mit diesem mit Hilfe von geeigneten mechanischen Bauelementen, z.B. von Sprengringen, fest verbunden.
Die bekannten Auiubrungsformen zeigen teilweise einen unerwünschten Aufwand an Verfahrensschritten und Bauteilen zur Herstellung des scheibenförmigen Gehäuses. Weiterhin besteht bei Lötprozessen zum Verschluß des Gehäuses die Gefahr einer Beeinträchtigung der physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Halbleiterscheibe und schließlich ist durch spezielle Ausgestaltung des Gehäuses die besondere Ausbildung von angrenzenden Kontaktbauteilen notwendig.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist diese Nachteile nicht auf und ermöglicht darüberhinaus einen einfachen Zusammenbau der Gehäusebauteile, wobei eine dichte Verkapselung der Halb- M leiterscheibe ohne Lötprozess am Gehäuse erzielt wird.
Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement, bei dem zwei metallische, gleichzeitig zur Kontaktierung mit angrenzenden Stromleiterteilen vorgesehenen Seitenteile und ein zwischen deren Randzonen befestigter ringförmiger Isolierstoff-Umfangskörpei· das Gehäuse bilden und ein Halbleiterkörper mit seinen Kontaktelektroden zwischen den Seitenteilen angeordnet ist und betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements. Die Erfindung besteht darin, daß das eine der beiden Seitenteile eine geringere Fläeheriausdehnung
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SEMIKRON
Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH.
~ H
angepasste Flächenausdehnung aufweisen. Die Kontaktplatten können gleichen Durchmesser und gleiche Dicke haben. Der dadurch zwischen ihnen gegebene Luftspalt in dem sich die Mantelfläche der Halbleiterscheibe mit dem Austrittsbereich des pn-Übergangs befindet, ist mit einem Schutzlack 1a zum Schutz der Halbleiteroberfläche ausgefüllt. Die aus Kontaktplatten 2, 3 und Halbleiterscheibe 1 bestehende Halbleitertablette ist lose, jedoch flächenhaft anliegend zwischen Gehäuse-Seitenteilen 5, 6 angeordnet. Beide Seitenteile, von welchen das erste untere (6) und in der Flächenausdehnung größere das Basisteil und das zweite (5) obere das Deckelteil darstellt, und über welche eine gehäuseäußere Druckkontaktierung der Halbleitertablette bei Anordnung des Bauelements zwischen angepasst ausgebildeten Anschlußbauteilen vorgesehen ist, bestehen aus duktilem, thermisch und elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise aus einem Edelmetall, aus Kupfer, oder aus einer an sich bekannten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung. Die Seitenteile 5> 6 bilden zusammen mit einem zwischen ihren einander zugewandten Randzonen angeordneten, ringförmigen Isolierstoff-Umfangskörper k das Gehäuse für die Halbleitertablette 1. Das obere Seitenteil 5 ist mit der Metallisierung kh der einen Stirnfläche des Umfangskörpers h durch Hartlötung fest verbunden. Zur lediglich teilweisen Auflage des Seitenteils kann diese Stirnfläche angepasst stufenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise an der an die gegenüberliegende Stirnfläche angrenzenden Außenmantelfläche weist der Umfangskörper h eine konzentrisch verlaufende, in sich geschlossene Ausbildung *fa auf, die als Ansatz oder als Aussparung gestaltet sein kann und deren Formgebung und Ausdehnung durch die lötfreie Befestigung des unteren Seitenteils 6 mittels Umbördeln bestimmt ist. Dieses wannenförmig ausgebildete untere Seitenteil ist, durch den Ansatz ha geführt, über die weitere Stirnfläche des Umfangskörpers h auf diesen aufgesetzt, so daß die innere Bodenfläche des Seitenteils an der Stirnfläche des Umfangskörpers anliegt. Durch Umbördelung des Randabschnitts 6b des Seitenteils über den Ansatz ha des Umfangskörpers ist das Seitenteil 6 unter mechanischer Spannung am Umfangskörper h
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zonni -
-SEMIKRON ; .
Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. /*Γ"
aufweist und, mit einer bedarfsweise angepasst ausgebildeten und vorbehandelten Stirnfläche des ringförmigen Umfangskörpers mittels Lötung fest und dicht verbunden, ein wannenförmiges Bauteil bildet, daß der Umfangskörper an seiner Außenmantelflache eine diese vollständig umschließende Ausbildung aufweist, daß das zweite Seitenteil becherförmig und dem Umfangskörper angepasst ausgebildet auf diesen aufgesetzt und durch TJmbördelung seines Randabschnittes über die Ausbildung des Umfangskörpers an demselben befestigt ist, und daß die dem zweiten Seitenteil zugeordnete Stirnfläche des Umfangskörpers eine konzentrische, in sich geschlossene Aussparung zur Aufnahme eines Dichtungsringes aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil mit geringerer Flächenausdehnung mit der zugeordneten Stirnflähe des Umfangskörpers fest verbunden wird, daß in das derart gebildete, wannenförmige Bauteil die Halbleiterscheibe mit den auf ihren beiden Seiten vorgesehenen Kontaktplatten eingebracht und weiterhin in die konzentrische Aussparung an der weiteren Stirnfläche des Umfangskörpers ein Dichtungsring eingelegt wird, und daß das weitere, becherförmige Seitenteil durch Umbördeln seines Randabschnittes über die Ausbildung des Umfangskörpers unter mechanischer Spannung an diesem befestigt wird*
. ' ■■ ■ ■■■■· ■ ;■ ■ : .' Anhand der in den Figuren 1 - k dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren "gleiche Bezeichnungen gewählt.
Gemäß Figur 1 ist eine Halbleiterscheibe 1 mit wenigstens einem pn-Ubergang beidseitig mit Kontaktplatten 2, 3 fest verbunden, die aus einem Material mit einer dem Halbleitermaterial annähernd gleichen Wärmedehnzahl bestehen und eine für beidseitig optimale Ableitung der Verlustleistungswärme an der Halbleiterscheibe 1
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SEMIKRON
Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. ^T~
einer mit der inneren Kontaktscheibe fest verbundenen, äußeren Kontaktscheibe, die gleichzeitig als Gehäuseseitenteil ausgestaltet ist. Das obere Seitenteil 8 ist an seiner stufenförmig ausgebildeten Randzone über eine besondere Ringscheibe 10 mit der entsprechend ausgebildeten Stirnfläche kh des Umfangskörpers b beispielsweise durch Lötung fest verbunden. Das gegenüberliegende, als Basis dienende Seitenteil 9 weist in Fortsetzung seiner zur gehäuseäußeren Kontaktierung dienenden Fläche, beispielsweise mit dieser in gleicher Ebene, einen ringscheibenförmigen Ansatz 9a auf. Dessen Ausbildung und Flächenausdehnung ist so bemessen, daß er entsprechend dem Seitenteil 6 gemäß Figur 1 zum Umbördeln seiner Randzone 9b um den Ansatz ^a des Umfangskörpers h geeignet ist. Zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen weist die Ringscheibe 10 in dem Abschnitt zwischen Seitenteil 8 und Umfangskörper k wenigstens eine bogenförmige Ausbildung 10a auf. Der Zwischenraum zwischen innerer Mantelfläche des Umfangskörpers h und Kontaktplatten 2, 3 bzw. Halbleiterscheibe 1 ist mit einem elastischen Füllkörper 12 ausgefüllt, der aus einem geeigneten Kunststoff, vorzugsweise aus Silikonkautschuk, besteht und zur Zentrierung der gegenseitig lose angeordneten, gehäuseinneren Bauteile sowie bedarfsweise zum zusätzlichen Oberflächenschutz der Halbleitertablette dient. Der dichte Einschluß der Halbleiterscheibe 1 wird durch einen zwischen Seitenteil 9 und Umfangskörper k in eine geeignete Aussparung kc des Ie tzteren eingebrachten Dichtungsring 7 erzielt.
Der Umfangskörper kann an der zur Anlage des Seitenteils 9 vorgesehenen Stirnfläche gewölbt ausgebildet und atißerdem an der anschließenden Außenkante abgerundet sein. Die an der zur Hartlötverbindung vorgesehenen Stirnfläche des Umfangskörpers in Betracht gezogene st/^ifenf örmige Aiisbildung ist in ihrer Ausdehming der entsprechenden Randfläche des zugeordneten Seitenteils angepasst. Die Höhe des Umfangskörpers k ist im Vergleich zu derjenigen des aus Halb]eiterscheibo 1 und Kontaktplatten 2, 3 be-
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH.
5Γ
befestigt. Zum dichten Einschluß der Halbleitertablette im Gehäuse 1st ein Dichtungsring 7 aus elastischem Kunststoff in einer angepasst ausgebildeten Aussparung kc des Umfangsköxpers gegenüber dem Seitenteil 6 angeordnet. In ihrem Flächenabschnitt zwischen Halbleitertablette und innerer Mantelfläche des TJmfangskörpers weisen die Seitenteile bogenförmige Ausbildungen 5a, 6a auf, die beispielsweise in das Gehäuse hineinragen und zum elastischen Ausgleich von Wärmedehnungen beim Einsatz der Anordnung sowie bedarfsweise zur Zentrierung der Halbleitertablette dienen.
Die Kontaktplatten 2,3 und die Seitenteile 5>6 sind an den zum Strom- und Wärmeübergang vorgesehenen Flächen zwecks einwandfreier Anlage angrenzender Kontaktbauteile plan ausgebildet und bedarfsweise oberflächenbehandelt.
Der Umfangskörper k besteht vorzugsweise aus keramischein Material. Die Kontaktplätten 2,3 können aus scheibenförmigen Teilen unterschiedliehen Materials gebildet sein, beispielsweise aus einer inneren unmittelbar an die Halbleiterscheibe angrenzenden Scheibe aus Molybdän und aus einer äußeren Scheibe aus Kupfer. Der Ansatz ka des Umfangskörpers kann vieleckigen oder runden Querschnitt aufweisen und an geeigneter Stelle seiner1 Mantelfläche mit einer konzentrisch verlaufenden Aussparung zum Eingriff der Randzone des zugeordneten Seitenteils versehen sein.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die an die Halbleiterscheibe angrenzenden Kontaktplatten mit ihrem von der Halbleiterscheibe abgewandten Abschnitt erfindungsgemäß gleichzeitig die Gehäuse-Seitenteile mit Kontaktflächen zu angrenzenden gehäuseäußeren Kontaktbauteilen. Zu diesem-Zweck bestehen die Kontaktplatten jeweils aus einer inneren Kontaktscheibe 2 bzw. 3, vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän oder einem entsprechenden Material, mit welcher sie über eine Edel— metallfolie 11 lose an der Halbleiterscheibe anliegen" und aus
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. #-
Halbleitertablette innerhalb der einen Ring bildenden bogenförmigen Ausbildung 5a des Seitenteils 5 eingelegt und durch diese zentriert. Danach wird in die ringnutenförmige Aussparung 4c der Dichtungsring 7 eingebracht und das becherförmige Basisteil 6 über die freie Stirnfläche des Umfangskörpers, durch den Ansatz 4a geführt, aufgesetzt. Schließlich wird das Seitenteil 6 unter gleichzeitigem Andrücken an den Umfangskörper 4 mit seinem überstehenden Randabschnitt 6b durch Umbördeln desselben über den Ansatz 4a des Umfangskörpers unter mechanischer Spannung mit diesem fest verbunden.
Bei Herstellung von Ausführungsformen nach Figur 3 wird gemäß der Darstellung in Figur 4 zunächst in einem vorbereitenden Verfahrensschritt das Seitenteil 8 über die Ringscheibe 10 mit der zugeordneten Stirnfläche des Umfangskörpers fest verbunden. In das dadurch gegebene Bauteil wird auf die gleichzeitig mit befestigte Kontaktplatte 3 eine Edelmetallfolie aus duktilem Metall, beispielsweise aus Silber, zur flächenhaften Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe 1 aufgelegt, anschließend werden d6r Formkörper 12, danach in vorbestimmter Orientierung die Halbleiterscheibe und dann die weitere Edelmetallfolie 11 eingebracht. Weiterhin wird der Dichtungsring eingelegt und abschließend das untere Seitenteil 9 mit der daran befestigten, zur Anlage an die Folie 11 vorgesehene Kontaktplatte 2 über die freie Stirnfläche auf den Hüllkörper bis zur Anlage an seinen Dichtungsring 7 aufgesetzt und an seinem überstehenden Randabschnitt 9fr umgebördelt.
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SEMIKRON ■■■.--.';■■■
Gesellschaft f» .QIe ich rieht erbau u. Elektronik mbH. -
darfswei.se mit Seitenteilen 8, 9 bestehenden Bauteilestap.els in dem Maße geringer, daß durch die Befestigung der. beiden Seitenteile am Umfangskörper ein Anpressdruck zwischen den jeweils lose aneinander angeordneten Bauteilen gegeben ist...
Ein weiterer vorteilhafter Aufbau des.Gegenstandes der/.Erfindung ist dadurch gegeben, daß zur Erzielung einer.Schweißverbindung zwischen oberem Seitenteil und zugehöriger.Umfangs- körper-Stirnflache anstelle einer Lötverbindung die, Bauteile an ihren dafür vorgesehenen Stellen einen bedarfsweise flanschförmig ausgebildeten Ring aus geeignetem Material aufweisen und entweder direkt oder über eine metallische, entsprechend angepasst geformte Ringscheibe fest und dicht miteinander verbunden sind.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann ferner darin bestehen, daß der Umfangskörper h an seiner Mantelfläche anstelle des* Ansatzes ka oder zusätzlich . zum Ansatz Ua und bedarfsweise im Ansatz 4a eine konzentrische, in sich geschlossene und beispielsweise rillenförmige Aussparung aufweist, in welche der axial verlaufende Randabschnitt des Seitenteils mit seiner Randzone nach dem Aufsetzen auf den Umfangskörper eingebördelt ist..
Die Erfindung ist bei entsprechender Ausbildung des Umfangskörpers zur Durchführung von Steuerelektrodenanschlüssen auch auf steuerbare Halbleiter-Bauelemente mit zwei oder mehr pn-übergängen anwendbar. .
Zur Herstellung von Ausführungsformen nach Figur 1 wird erfindungsgemäß in einem vorbereitenden Verfahrensschritt das obere Seitenteil 5 an der Stirnfläche Ub des Umfangskörpers k beispielsweise durch Löten oder Schweißen befestigt. Anschließend wird in dieses vorgefertigte, wannenfÖrmige Bauteil (k, 5) in vorbestimmter elektrischer Orientierung die aus Halbleiterscheibe und aus den beidseitig an ihr befestigten Kontaktplatten 2, 3 bestehende - -8-
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Claims (1)

  1. SEMIKRON 20U289
    Gesellscbaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. 10
    AO
    3. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Seitenteile aus thermisch und elektrisch gut leitendem duktilem Material bestehen und bedarfsweise oberflächenbehandelt sind.
    h. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangskörper an seiner zur Lötkontaktierung mit einem Seitenteil vorgesehenen Stirnfläche metallisiert und bedarfsweise stufenförmig ausgebildet ist.
    5. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die an der Außenmantelfläche des Umfangskörpers befindliche Ausbildung (^a) einen Ansatz und/ oder eine Aussparung mit vieleckigem oder rundem Querschnitt darstellt.
    6. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe (i)
    beidseitig über je eine Edelmetallfolie (11) an den Kontaktplatten (2,3) anliegt, und daß die Kontaktplatten aus wenigstens zwei Scheiben bestehen, von denen die äußere (8,9) gleichzeitig als Gehäuseseitenteil dient und bedarfsweise geeignet atisgebildet ist.
    7. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der äußeren, gleichzeitig als Gehäuseseitenteil vorgesehenen Scheibe der Kontaktplatten und dem Umfangskörper eine Ringscheibe (io) angeordnet ist, die in ihrem mittleren,konzentrischen Abschnitt wenigstens eine bogenförmige Ausbildung (10a) aufweist, und daß die Ringscheibe an oder nahe der Stirnfläche (^b) des Umfangskörpers befestigt und mit der zugeordneten Kontaktplatte (8) durch Lötung oder Schweißimg fest verbunden ist.
    -11-
    109842/1502
    Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. ff -
    Patent - Ansprüche
    ( 1../Scheibenförmiges Halbleiterbauelement, bei dem zwei metallische, gleichzeitig zur Kontaktierung mit angrenzenden
    Stromleiterteilen vorgesehene Seitenteile und ein zwischen
    deren Randzonen befestigter ringförmiger Isolierstoff-,
    Umfangskörper das Gehäuse bilden und ein Halbleiterkörper
    mit seinen Kontaktelektroden zwischen den Seitenteilen angeordnet ist, dadurch g e k eη η ζ ei c h n e t ,
    daß das eine der beiden Seitenteile.(5) eine geringere
    Flächenausdehnung aufweist und, mit einer bedarfsweise angepasst ausgebildeten und vorbehandelten Stirnfläche (4b) des
    ringförmigen Umfangskörpers (4) mittels Lötung fest und dicht verbunden, ein wannenförmiges Bauteil bildet,
    daß der Umfangskörper (4) an seiner Außenmantelflache eine diese vollständig umschließende Ausbildung (4a) aufweist,
    daß das zweite Seitenteil (6) becherförmig imd dem Umfangskörper angepasst ausgebildet, auf diesen aufgesetzt und durch Umbördelung seines Randabschnittes (6b) über die Ausbildung
    (4a) des Umfangskörpers an demselben befestigt ist, und
    daß die dem zweiten Seitenteil zugeordnete Stirnfläche des Umfangskörpers eine konzentrische, in sich geschlossene Aussparung (4c) zur Aufnahme eines Dichtungsrings (?) aufweist.
    2. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Seitenteile (5,6) in dem zwischen ihrem zur Kontaktierung vorgesehenen Bereich und
    zwischen dem Umfangskörper verbleibenden Abschnitt wenigstens eine konzentrische, in sich geschlossene bogenförmige Ausbildung (5a, 6a) zum Ausgleich von Wärmedehnungen beim Einsatz
    und/oder zur Zentrierung der bedarfsweise aus einer Halbleiterscheibe 1 und aus an deren beiden Seiten befestigten Kontaktplatten (2,3) bestehenden Halbleitertablette aufweist.
    -10-
    10984271502
    BAD ORIGINAL "
    Leerseite
    SEMIKRON 20H289
    Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. J^
    8. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Umfangskörper und lose angeordneten Bauteilen zu deren Führung ein elastischer Kunststoff-Füllkörper (12) angeordnet ist.
    9. Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Halbleiterbauelementen gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil mit der geringeren Flächenausdehnung (5) mit der zugeordneten Stirnfläche des Umfangskörpers fest verbunden wird, daß in das derart gebildete, wannenförmige Bauteil die Halbleiterscheibe mit den an ihren beiden Seiten vorgesehenen Kontaktplatten eingebracht und weiterhin in die konzentrische Aussparung an der weiteren Stirnfläche des Umfangskörpers ein Dichtungsring eingelegt wird, und daß das weitere, becherförmige Seitenteil durch Umbördeln seines Randabschnittes (6b) über die Ausbildung (ha) des Umfangskörpers (k) unter mechanischer Spannung an diesem befestigt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umfangskörper und den im Gehäuse befindlichen Bauteilen zu deren Führung ein elastischer Kunststoff-Füllkörper (12). eingebracht wird.
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