DE2023436A1 - Halbleiteranordnung mit mindestens einem Druckkontakt - Google Patents

Halbleiteranordnung mit mindestens einem Druckkontakt

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DE2023436A1 DE19702023436 DE2023436A DE2023436A1 DE 2023436 A1 DE2023436 A1 DE 2023436A1 DE 19702023436 DE19702023436 DE 19702023436 DE 2023436 A DE2023436 A DE 2023436A DE 2023436 A1 DE2023436 A1 DE 2023436A1
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Gerard Saint Michel sur Orge Leservoisier (Frankreich)
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Description

DR. ΜΠΠ Κ^Γ >riL....·,;...: .:;-. ^ui-i-ofii. 1 13, 202: 343ί
DiPL-I^L. κ;. TtLfci-üiM &Ö1 1Ü
8 M Om C
MAl 1978
RV/MBJ
F 4466 2 1ί 8 6
COMPAGNIE GEHEEALE D 1EIiECTRICI TE
54, Rue La Boitie, PARIS (8), Prankreich
HALBLEITERAIiORDNUNG MIT MINDESTENS EINEM
DRUCKKONTAKT
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen , die mindestens eine Druckkontaktverbindung aufweisen und beispielsweise aus einer Diode oder einem Thyristor bestehen, wobei das Halbleitermaterial im aligemeinen Silizium ist.
In derartigen Anordnungen wird eine Siliziumscheibe, | die mindestens einen pn-übergang aufweist, durch Druck mit den ebenen Metallteilen in Berührung gebracht.
Im allgemeinen ist eine Fläche der Siliziumscheibe mit einer Scheibe aus einem feuerfesten Material, beispielsweise
Molybdän oder Wolfram, durch ein Metall wie Aluminium verbunden, wobei die andere Fläche der Siliziu'mscheibe teilweise mit Gold überzogen ist. Die Flächen der Metallteile oder Elektroden, die zur Stromversorgung der Anordnung und zur Abfuhr der beim Betrieb
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erzeugten Wärme dienen* müssen sehr sorgfältig bearbeitet und vollkommen eben sein und eine nur leicht rauhe Oberfläche haben. Diese Elektroden sind im allgemeinen aus versilbertem Kupfer; trotz aller Vorsichtsmassnahmen ist festzustellen, dass die den Elektroden und der Halbleiteranordnung gegenüberliegenden Seiten sich nicht mit ihrer ganzen Fläche berühren und dass sehr wahrscheinlich unter der vereinten Wirkung des Druckes und des elektrischen Stroms ein gewisses Kleben dieser Flächen tk auftritt, vor allem zwischen der vergoldeten Siliziumscheibenfläche und der gegenüberliegenden Elektrodenfläche. Dieses Kleben kann infolge der auf Temperaturschwankungen während des Betriebs der Anordnung zurückzuführende Radialbeanspruchungen die Siliziumscheibe zerstören, und zwar aufgrund des grossen Unterschiedes zwischen den Ausdehungskoeffi^ienten der für einen der Druckkontakte verwendeten Stoffe, d.h. des vergoldeten Siliziums und versilberten Kupfers.
Die Erfindung behebt diese Nachteile durch· eine An- m Ordnung, bei der die elektrische und die thermische Impedanz schwach sind; diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Fläche der Siliziumscheibe und der gegenüberliegenden Fläche der Elektrode eine Graphitscheibe angeordnet wird, deren Dicke vorzugsweise einige Zehntel mm beträgt.
Die Grphitscheibe besteht vorteilhafterweise aus pyrolytischem Graphit, der hochwertiger als gewöhnlicher, sehr reiner Graphit ist. Der pyrolytisch^ Graphit, der auf den Flächen aufgebracht wird,, ist ein Material mit beträchtlicher
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Anisotropie, die von der Ausrichtung der hexagonalen Zellen der Graphitkristallite entsprechend nahezu parallelen Ebenen abhängt; die Wa.chstumsrichtung des pyrolytisehen Graphits verläuft senkrecht zu den Ebenen dieser aufgebrachten Schichten.
Der pyrolytisch^ Graphit ist kein poröser Stoff, sondern vollkommen dicht, selbst bei Tests mit dem Helium-Lecksuchgerät, und seine Dichtigkeit von etwa 2,20 g/cm liegt in der Fähe der
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theoretischen Dichtigkeit des Graphitkristalls von 2,25 g/cmJ.
Ausser den'ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, insbesondere in bezug auf in Wachstumsrichtung des Graphits ausgeübte Beanspruchungen,bietet der pyrolytisehe Graphit sehr günstige elektrische und thermische Eigenschaften, So beträgt der Druckfestigkeits-Grenzwert in dieser Richtung etwa 3 000 Bar. Der spezifische elektrische Widerstand in der Richtung Cer aufgebrachten Schichten liegt in der Gr'oss anordnung von 200 bis 400 Fikroohm/cm und bei über 10 000 Mikroohm/cm in der zu den aufgebrachten Schichten senkrecht verlaufenden Richtung, d.h. in der Wachstumsrichtung. "
Die Werte der thermischen Leitfähigkeit sind, je nach der Ausbreitungsrichtung der Wärme, ebenfalls sehr unterschiedlich; die thermische Leitfähigkeit, die etwa 0,9 cal/cm χ 0C χ s in einer parallel zu den aufgebrachten Schichten verlaufenden Richtung beträgt, sinkt auf unter 0,02 cal/cm χ 0CXs in der senkrecht zu diesen Schichten verlaufenden Richtung ab.
Der pyrolytische Graphit weist demnach in einer
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parallel zu den aufgebrachten Schichten verlaufenden "Richtung eine thermische Leitfähigkeit aufsdie ungefähr derjenigen des Kupfers gleichkommt; sein "spezifischer Widerstand ist ebenfalls in dieser Richtung am schwächsten»
Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, das , Material derart zu verarbeiten, dass Plättchen erzielt werden, deren mechanische, elektrische und thermische Kennwerte, je nach der Dicke, in einer parallel zu den aufgebrachten" Schichten verlaufenden Richtung dieselben wie diejenigen des pyrolytischen Graphits sind.
Bei den derzeitigen Herstellungsverfahren für pyrolytischen Graphit ist die Dicke der Platten auf einige mm begrenzt, und wenn daraus Röhren hergestellt werden, hängt deren Dicke vom Krummungsrs,dius ab und beträgt weniger als 1/20 des letzteren; es ist z.Z. nicht möglich, Zylinder oder Stäbe mit gegebenem geometrischen Querschnitt herzustellen» In Halbleiteranordnungen, vornehmlich in Leistungshalbleitern, ist dps meistens aus Silizium bestehende Halbleitermaterial als Scheibe ausgebildet. Zur Anwendung der Erfindung sind also Graphitscheiben notwendig» Bei Verwendung von gewöhnlichem Graphit stellt dies kein besonderes Problem darj bei pyrolytischem Graphit hingegen und zur Verwertung der besonders vorteilhaften mechanischen, elektrischen und thermischen Kennwerte dieses Materials müssen Plättchen oder Scheiben hergestellt werden, deren Dicke von der Richtung der aufgebrachten Schichten der Graphitstreifen abhängt.
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Pig. 1 stellt einen Block pyrolytischer Graphitstreifen für die Herstellung quadratischer oder rechteckiger Plättchen dar. ·
Fig. 2 stellt einen Block pyrolytischer Graphitstreifen zur Herstellung von Scheiben dar,
Fig. 3 stellt eine flache Anordnung unter Anwendung der Erfindung dar.
Fig. 4 stellt eine herkömmliche Anordnung unter An- J wendung der Erfindung dar.
Um einen Block nach Fig. 1 zu erhalten, wird folgenderraassen vorgegangene Aus einer pyrolytischen Graphitplatte werden Streifen 1 gleicher Breite geschnitten, die mit einem Klebstoff 2 miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise "Araldit" (eingetragenes Warenzeichen der Firma Ciba) oder jeder andere Klebstoff verwendet, der eine gute Verklebung der einzelnen Streifen bewirkt; selbstverständlich müssen bei der Wahl des Klebstoffes die Anwendungsbedingungen λ der Plättchen oder Scheiben, insbesondere die Temperaturbedingungen, berücksichtig werden. Auf diese Weise entsteht ein ParallßLepiped mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, das in senkrecht zu den Graphitstreifen verlaufender Richtung in Plättchen geschnitten wird.
In Fig. 2 haben die Graphit streif en nicht alle dieselbe Breite, und es werden vier Streifen 3, 4, 5-, β derselben Dicke verwendet, die wie in Fig. 1 miteinander durch einen
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Klebstoff 2 verbunden werden; auf diese Weise entsteht ein Stabj der durch Bearbeitung auf einer Drehbank eine zylindrische Form erhält^ Dieser zylindrische Stab wird dann in Scheiben von gegebener Dicke geschnitten^ die anschliessend poliert werden,8 so können ohne weiteres Scheiben von einigen Hundertsteln bis einigen Zehnteln nun Dicke hergestellt werden,, während die Dicke der Zwischenscheiben der Halbleiteranordnungen im allgemeinen ungefähr O9 3 bis 0,5 mm beträgt»
Selbstverständlich können die für die Herstellung von Stäben mit quadratischem,, rechteckigem, rundem oder anderem Querschnitt verwendeten Stäbe aus pyrolytischem Graphit verschiedene Stärken aufweisen und von beliebiger Anzahl sein, wobsi die Figo 1 und 2 nur als Beispiel dienenp um die Herstellung von Plättchen mit den erforderlicK..* mechanischen^ elektrischen und thermischen Kennwerten aufzuzeigen:»
Figo 3 stellt den Querschnitt einer Halbleiteranordnung, nämlich einer in einem flachen Gehäuse befindlichen Leistungsaiodes &ar8 wobei 10 eine Silisiumscheilbe mit einem pn-Uber« g£»2ig? 12 eine mit der Silissiumseheibe verschweisete Molybdän™ sclieibe? 13 eine erfindungsgemässe Ssheibe aus pyrolytischem Graphits 14 und 15 Elektroden aus versilbertem Kupfer, 16 ein Zwischenstück aus Isoliermaterial zur Zentrierung der Teile 10 und 129 20 einen Isolierring zur Zentrierung der Graphitscheibe 13? 17 einen Keramiksyiinder und 18 und 19 zwei mit dem Zylinder 17 und den Elektroden 14 und 15 verschweisste Plansche darstellen.
ί - ■' «ί ι' . i i"H
Die Molybdänscheibe 12 steht unmittelbar mit der Elektrode 15 in Berührung, · während die Graphitscheibe 13 zwischen der Elektrode 14 und der vergoldeten Siliziumscheibe 10 angeordnet ist, um die Gefahr des Klebens von Elektrode 14 und Goldschicht der Siliziumscheibe auszuschalten. ·
Fig. 4 stellt eine Halbleiteranordnung oder Leistungsdiode in einem herkömmlichen Schraubgehäuse mit einem Druckkontakt dar. Die Anordnung besteht aus folgenden Teilen; einer auf eine Molybdänscheibe 12 geschweissten Siliziumscheibe 10, wobei die | Molybdanscheibe selbst auf den Ansatz 21 eines Kupfersockels
22 mit einem Gewindestück 23 geschweisst ist, einer Graphitscheibe· 13, die einerseits mit der Siliziumscheibe 1G und andererseits mit einer mit einer Zwinge 32 verroteten Molybdänscheibe 33 in Berührung steht, einer Abdeckung 24 mit einer Metallkappe 25, einem Isolator 26 aus Keit-rak und einem elektrisch mit einem Metnilring 28 verschweissten Befestigungsflansch 27» wobei der Metallring seinerseits auf den Sockel 22 verlötet ist, einer auf die Klappe 25 gelöteten Zwinge 29> die - den äusseren Teil des Kabelstrangs 30 umgibt, welcher am Anschluss der Anordnung an einen Pol einer elektrischen Stromquelle dient, während der andere Pol dieser Stromquelle mit dem Gewindestück
23 verbunden ist, einem inneren Kabelstrang 31» der ebenfalls an einem Ende von der Zwinge 29 und am anderen Ende von der Zwinge 32 umgeben ist, einer Feder oder sonstigen Druckvorrichtung 34, die sich auf der Zwinge 29 abstützt und die Molybdanscheibe 33 und die Graphitscheibe 13 auf die Siliziumscheibe ■ 10 drückt.
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ORlG[NAL INSPECTED
Obgleich es sich, bei der Beschreibung um die Anwendung bei Leistungsdioden mit einem Graphitplättchen auf einem einzigen Druckkontakt handelt, kann die Erfindung ebenfalls bei zwei Druckkontakten angewandt werden; so kann in der Fig. 3 eine Graphitscheibe zwischen der Molybdänscheibe 12 und der Elektrode 15 und in der Pig. 4 eine Graphischeibe zwischen der Molybdänscheibe 12 und dem Ansatz 21 angeordnet werden, wenn die Molybdänscheibe 12 nicht auf den Ansatz 21 geschweisst ist.
Die Verwendung des Graphits, vor allem des pyrolytischen Graphits, ist nicht auf Halbleiter-Dioden oder -Thyristoren beschränkt, sondern kann auf alle anderen Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem Druckkontakt ausgedehnt werden.
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Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    iy Halbleiteranordnung mit mindestens einer. Druckkontaktverbindung und bestehend aus einer zwischen zwei Elektroden befindlichen Halbleiterscheibe, dadurch gekennz e i ohne t, dass mindestens einer ihrer Kontakte eine Graphitscheibe (13) aufweist, die zwischen der Halbleiterscheibe (10) und der gegenüberliegenden Elek- | trode (14) angebracht ist, wobei die Scheibe (13) die freie Ausdehnung, d.h. die Verschiebung der Halbleiterscheibe (10) in bezug auf die gegenüberliegende Elektrode (14) ermöglicht und gleichzeitig die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen der Scheibe (10) und der Elektrode (14) gewährleistet wird.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch" gekennz e i c h η e t, dass die Graphitscheibe (13)
    aus pyrolytischem Graphit' besteht. (|
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennz e ichne t, dass die Scheibe (13) aus pyrolytischem Graphit durch Zerteilung eines Stabes erzielt wird, der aus Streifen (3,4,5,6) besteht, die miteinander verklebt und durch Zerschneiden von Platten aus pyrolytischem Graphit hergestellt -wurden, dergestalt, dass die Richtung der Senkrechten zur Scheibe (13) mit einer parallel zur Ebene der Platten aus pyrolytischem Graphit
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    verlaufenden Richtimg zusammenfällt, wobei in der zuletzt genannten Richtung der pyrolytisch^ Graphit die besten elektrischen und thermischen Kennwerte aufweist.
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NL7006765A (de) 1970-11-18
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