DE2035323A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Walter Jacktsch

Stuttgart N, Menzelstraße 40

Western Electric Company Inc.

195, Broadway 'A 31 761 - Br

New York N. Y. 10007 15.7.1970

Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, umfassend einen langgestreckten ersten Leiter^ einen langgestreckten zweiten Leiter, ein mit seiner Anode und Kathode an den ersten und zweiten Leiter angeschlossenes erste» Diodenglied und ein mit seiner Kathode und Anode an den ersten bzw. .zweiten Leiter angeschlossenes zweites DiodengliedL Eine derartige Halbleitervorrichtung kann insbesondere als Varistor ausgebildet sein, d.h. als niehtlinearer Widerstand, der z.B. ein Paar von in symmetrischer Antipsrallel» schaltung angeordneten und mit einem Paar von Anschlussleitern verbundenen Halbleiterelementen aufweisen kann. Die Halbleiterelemente und die zugehörigen Anschlussleiter sind üblicherweise mit einem Schutzmaterial überzogen.

Zur Bildung von nichtlinearen Widerstandsanordnungen mit hohem Spannungsabfall ist es seit längerer Zeit üblich, eine Mehrzahl von einzelnen Varistoren in

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Reihenschaltung durch Löfeera miteinander gü verbinden und die so erhaltene Bawjprappe im M©arad©rf©m in einem Gehäuse untersabfingen ₀ welehes anschliossend mit einem Schutzmedium g©füil% wirdo Den so ©rhaltenenj, üblichen SchaltungeeloBenfean haftet der Nachteil vox³= gleichweise gpossera Platsbedapf@s und hohes⁰ Herst©llunggkosten &n_e Ausserdem ist die Zuveplässigkeit diesem

jedeM Paar von benaehbspteß ¥&Fistoi°en in aanchen Fällen nicht ausreichend.

Aufgabe aer Erfinänng, ist iß diesöm Schaffung ©in®? HallblGite^voffFlühtuKSp ein®P VsI⁵IIto^anopdsTOKig₀ bei d@3? die iF@i?gQKannteE M&ehteile der bglcarürafeeim Ay,8fflhF»iig©n üb©E=uuadest sind, die sich also diiFeh ©iafaehg H©FSt9llimg bei gQfingem PlatzbGdarf und hoher Ewverllssigkeit awsseiehnet₀' Die erfindmngsgeialss© Lösimg dieses³ Aufgab© k©nin° zeichnet sich bei oinQF Hs.lblQiteFwe^s'ielitiing der eingangs eRfltoten Ä3?t hmuptslighliigh dndupßhs daß Jede» der DiodengliGdsE³ ©Ikg ßspiapp© won mGhP©3p©a in Reihe gesdaalfeQten Di©äQK awfi-?©ii3t_s uoboi Jeweils die Anode eines³ Di©de an die Isthod® ©iß©? Diode angesehlossen

Weiter MeFlsaale and Vo^toilG de? Erfindung ergeben sieh aus <fer felgeaden. BesehPeibung von Äusföhsnangsbeispielen anliand. der Zeietoungerio Hieöa geigt s

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Fig. 1 einen Varistor üblicher Art im Schnitt,

Fig. 2 eine übliche Diode mit Stapelaufbau im Schnitt,

Fig. 3 eine Draufsicht eines variablen Hochspannungswiderspandes üblicher Art,

Fig. H einen Schnitt des Widerstandes gemäss Fig. entsprechend der Schnittebene IV-IV,

Flg. 5 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erflndungsgemässen Varistors,

Fig. 6 einen Schnitt gemäss Schnittebene VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ansahl von Halbleiterscheiben und Kontaktscheiben vor der Unterteilung in mehrere Stapel von miteinander verlöteten Scheiben für den Zusammenbau zu Varistoren ' der in Fig. 5 und 6 gezeigten Art, und

Fig. 8 den Innenaufbau des Varistors gemäss Fig. bei entferntem Hüllmedium in grösserem Maßstab,

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Der in Pig. 1 dargestellte Varistor 10 üblicher Art umfasst ein Paar von Leitern 11 und 12, zwischen denen . ein Paar von entgegengesetzt orientierten Halbleiterscheiben 13 und lh fluchtend angeordnet ist. Die Halbleiterscheiben 13 und 14 sowie Teile der Leiter 11 und sind in gleichzeitig als Schutz gegen Stoß, Feuchtigkeit und andere üusgebungseinflfflese dienendes IrtLiermaterial * 15 eingebettet, S₉B. in ein Epoxydharz.

Als "Halbleiterscheiben" sollen im vorliegenden Zusammenhang scheibenförmige-Halbleiterkörper von vergleichsweise geringen Abmessungen .verstanden werden₉ beispielsweise solche von 1,118 mm Sm Quadrat« Derartige Halbleiterscheiben bestehen au® monokristallinem Material, welches den aktiven Teil einer Diode bsw,, einer entsprechenden Halbiervorrichtung bildet«, An passiven Bestandteilen treten Stützelemente_s Verdreht wings·» und Verbindungeelemente sowie Kaps©In₉ Gehäuse und dgl. hinzu.

^ Als "Halbleiterplatten" werden dagegen grosser«, scheibenfömige Gebilde aus Halbleitermaterial bezeichnet, die in eine Mehrzahl von"HalfoleIfce»eheiben^w im vorerwähnten Sinne unterteilt werden könraess und js.B. einen Durchmesser von 50,8 mm aufweisen.

Gestapelte Halbleiterdioden mit mehreren Schichten von Halbleiterscheiben wurden® wie erwähnt, zur Erzielung von hohen Spannungsabfällen hergestellt. Derartige "Stapeldioden" sind weit etwa 9 Jahren Ie Gebrauch und wurden

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vor mehr als einer Dekade entwickelt. Eine Sfcape!diode 20 üblicher Art, wie sie in Flg. 2 dargestellt ist, umfasst unter Einfügung von QoldyZwlschenstttcken 28 durch Thermokompression miteinander zu einem Stapel verbundene Halbleiterscheiben 2I₁ 22, 23 und 24. Mit den beiden äusseren Stirnflächen des Stapels sind Anschlussleiter 25 und 26 verbunden* Der so gebildete Stapel ist in ein schützendes Gehäuse 27 eingebaut.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Hoehspannungs» varistor 30 üblicher Art umfasst fünf einzelne Varistoren 31,32,33 (zwei derselben sind nicht dargestellt), die Im Reihenschluss angeordnet und durch Lotsteilen 35 miteinander verbunden sind. Die Sinzelvaristoren sind mifanderförmig in einem Kunststoffbehälter 36 angeordnet, der mit einem geeigneten Isoliermaterial 37 wie Epoxydharz od.dgl. gefüllt ist. Zwei Anschlussleiter 38 und 39 sind durch das Gehäuse geführt.

Bei der erfindungsgeraässen Varistorausblldung 1st ein erstes Diodenglied mit seiner Anode bzw. Kathode an einen ersten bzw. zweiten, langgestreckt ausgebildeten Leiter angesfilossen .Ein zweites Diodenglied ist umgekehrt mit seiner Kathode bzw. Anode an den ersten bzw. zweiten Leiter angeshlossen, so daß sich elektrisch eine Ant!parallelschaltung ergibt. Jedes der beiden Diodenglieder umfasst eine Mehrswahl von in Reihenschluss angeordneten Einzeldioden, wobei die Anode einer Einzeldiode Jeweils mit der Kathode einer benachbarten Einzeldlode verbunden ist« Vorzugsweise kann ein solches Diodenglied

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vier Einae!dioden urafaeseßj, die dw«h Lot- oüer Kontaktplatten miteinander verbunden elnäo Gegebenenfalls kommen auch BWeI₁ drei,, vier, fünf oder sechs in dieser Weise siteinander vertwstöeß© Siras©!dioden für den Aufbau eine» Diodengliedea in Bstraetrt»

Die in den FIg* 5

führung ©ines epfindungsgi

ein /Paar von in W6wm von Stapeln Hl mud 42 angeordneten Dlodengliedera auf, die'r&umlieh la wasewfeliehen parallel sueinander sowie in elelctria@h©s° totiparallelsehalfcung zwischen Anschluss !©item Ί3 wiä ¹I^ angeordnet sowie mit den !inneren Endabsehnittera dieser Leifeer in ©in Isolieraedima H5* beispielsweise Epoxydliara, eingebettet sind. Die Änsetilussleitei· h3 und M ntnä in der Aws Pig. 6 ersichfeliehara Weis© s© abgewinlceltj,<äaB aieh ein©- fluchtende Anordnung der äusseren Leiterabaehnifete und damit eine einfachere Handhabung des gesamten Schaltungselemente» ergibt ₀

Die Stapel ¹Il und ft2 sind in dojp Weise raitten leitern 43 und kh ver!5tet, daß die Anode des Stapele und die Kathode de® Stapele 12 mit «tee Leiter 113, die Kathode des Stapeis kl und die Anode iois Stapels H2 da gegen mit dem Leiter %*§ verbunden

Die erfindungsgeiaäeee Halbleitervorpielifcimg geaäae Pig. 5 und β unterscheidet sieh worn entsprechenden Vorrichtungen illieher Art vorykllem dureh irare geringere

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Qrösee und durch die einfachere und weniger aufwenldige Heratellbarkeit, weiterhin inabeaondere auch durch eine höhere Zuverlässigkeit, Letztere lat auf den Fortfall einer Anzahl von Lötverbindungen zurückzuführen. Andererseits sind die elektrischen Eigenschaften der erfindungagemäaaen Halbleitervorrichtung denjenigen, der bekannten Ausführungen im wesentlichen ähnlich. Die geringere räumliche QrOsae der erfindungsgemässen Halbleitervorrichtung lat Inabeaondere wichtig im Zusammenhang mit dem allgemeinen Streben nach Miniaturbzw. MIkrominiaturausführung von elektrischen Schaltungselement en und nach einer entsprechend räumlieh gedrängten Ausbildung ganzer Schaltungen oder Qerfte.

Die Abmessungen des Hauptkörpers einer üblichen Halbleitervorlrichtung gemäss Fig. 3 und 4 betragen s.B. 17,8 mm χ 17,8 mm ζ 11, k mm bei einem Volumen von 3 620 ma. Bei einer typischen Halbleitervorrichtung nach der Erfindung gemäaa Fig. 5 und 6 hat der Hauptkörper dagegen einen Durchmesser von 5»92 mm und eine Länge von 8,38 mm bei einem Volumen von 230 ma entsprechend einer Volumenverminderung gegenüber der üblichen Aueführung Im Verhältnis 1:16.

Ein Verfahren zur Herateilung der Halbleiterseheiben-Stapel ill und k2 für die Anwendung in einer erfindungagemäseen Halbleitervorrichtung, bzw. einem Variator gemäss Fig. 5 und 6 wird anschliessend anhand von Fig. nnd 8 erläutert.

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In dejp'Explosions darstellung gemäee Flg. 7 ist eine Mehr«ahl von ρ-leitenden Sillcium-Platten 51,53,55 und 57 angedeutet, deren Jede einen Durchmesser von etwa 50,8 mm und eine Dicke von etwa o,25 nun aufweist, Jede der Platten 51»53»55 und 57 wird nach einem CIblichen Verfahren an einer Oberfläche η-leitend und an der entgegengesetzten Oberfläche ρ »leitend dotiert, so daß jede Platte eine η-leitende Diffusionsschicht 101 an einer Oberfläche und eine ρ -leitende Diffusionsschicht 102 an der entgegengesetzten Oberfläche aufweist.

Beide Oberflächert der Platten 51*53,55,57 erhalten dann einen Niefcelüberzug 103 über der η-leitenden Diffusionaschicht 101 und eine Nickelsehicht/über der p⁺-leitenden Diffuaionssehlehit 102. Die Platten werden sodann unter Einfügung von aus Aluminium-Silicium bestehenden Kontakt- oder Lot scheiben 52,5¹J und 56 entsprechenden Durchmessers mit einer, Dicke veη 0,9 5 mm aufeinandergestapelt. Es ergibt sich so die In Fig« 7 dargestellte, aus Halbleiter-L· platten und Lotscheiben bestehende Dreifach-Schichtanordnung 51-57» Die Lötscheiben 52,5Ü,56 könnenz.B. vorzugsweise 88 t Aluminium und 12 % Silicium enthalten.

Die aus vier Halbleiterscheiben und drei Siiicium-Aluminium-LOtscheiben bestehende Schichtanordnung 51-57 wird sodann hartgelotet. Dies kann in der Massenproduktion z.B. durch Zusammensetzen einiger aus den erwähnten Sehichtanordnungen bestehenden Säulen durchgeführt werden,! wobei Jede Säule

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QmQiHAl INSPSCTED

eine Überdnstimmende Anzahl von Schichtanordnungen enthält. Die einzelnen Schichtanordnungen innerhalb einer Säule werden'hierbei durch ein geeignetes z.B. aus Graphit bestehendes Abstandsstück voneinander getrennt. Die Säulen werden mit einem z.B. aus Edelstahl bestehenden Gewicht belastet und in einen Vakuumofen eingesetzt.

Der Vakuumofen wird sodann auf eine Themperatur von 4OO°C gebracht, und zwar für eine Zeitdauer von etwa fünf Minuten, um in den gestapelten Halbleiterplatten eingefangene Gase zu entfernen. Sodann wird zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften für das Hartlöten Wasserstoffgas eingeführt und der Öfen auf die Schmelzthemperatur des Lötmaterials, z.B.577°C» gebracht.

Nach der Vakuumwärmevorbehandlung und nach dem Hartlöten sowie nach Entfernen der Stapel aus dem Ofen werden letztere auf beiden Stirnflächen mit Nickel und Boschliessend mit Gold plattiert.

Jeder StapelArird sodann stirnseitig gemäss einem rechtwinkligen Muster axial aufgetrennt, und zwar beispielsweise durch Sägen, wodurch sich entsprechend geschichtete Stapel von Halbleiterscheiben und Zwischenscheiben mit geringerem Querschnitt für den Einsatz in erfindungsgemässen Varistoren ergeben, z.B. in einem solchen gemäss Pig. 5 und 6. Ein Paar von aus derartigen Halbleiter-

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scheiben bestehenden Stapeln wird sodann In der beschriebenen Anordnung mit Anechlusgleite-rn ver·* bonden, und zwar beispielsweise durch Weichlöten und anschliessend im Epoxidharze eingebettet«

Effindungsgemäss ergibt sich alsofeeisplelswelse eine Halbleitervorrichtung ^O von geringem Volumen vom Typ eines aymmetrlsehen Varistors mit einem

" langgestreckten ersten Ansehlusslelter* 43 und einem ebensolchen zweiten Ansehlussleiter Hh_β " .

Die Stapel Il und 42 bilden Haiblelterglleder, deren jedes* eine Mehrzahl Cz₀Bo eine Anzahl von m, wobei m eine ganze Zahl und grosser als-2 ist)«, Von monokristallinen Halbleiterseheiben 51» 53 usw» mit einer-n-leltenden Schicht 101 an einer Oberfläche und einer p-leitenden Schicht 102 an ü®r entgegengesetzten Oberfläche enthält. Jede Halbleiterscheibe weist eine aus einem geeigneten Kontaltmaterial_s s.B» Nickel», bestehende Oberflächenschicht 103 bzw* 105 an beidee Oberflächen auf.

Die Halbleiterscheiben und die zugehörige Anzahl Cz«B.

^ ' m - 1) von Lutscheiben 52-5^ usw,₉di® beispielsweise aus Aluminium-Silicium boatehei!₉ sind abwechselnd Jeweils mit ihren p-leitenden. Oberflächen in gleicher.--Orientierung aufeinandergestapelt. Zusltslich® Auflagen aus Kontaktmaterial z»B. aws Gold bestehende Scheiben 106 sind an beiden aussehen Stimf'Ucten d@r vorangehend beschichtenden Stapelk5rper vorgesehen» Die n-leitend®

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Schicht 101 und die p-l«ltende Schicht 103 de· Halbleiter- »chelben-Stäpel« ^s und durch Wtetellen alt de» «Welten Anechlu··leiter HH biw_# de* ersten Ansehluesleiter 43 ver*. bundeh. Beide Halbleiterglieder und jeweils ein Ateechoitt der Anechlu.«leiter sind in die !»olienMdiua *5 eingebettet.

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OflJGlNAL INSPECTED

Claims (1)

1. Ansprüche

   A 31 761 - Br 15.7.1970.

   Halbleitervorrichtung,

   streckten ersten Leiter_s Ewelfeen Leiter₉ ein mit- an den ersten «ad streite eretee Diodenglied- und ©in und lß©de an den ep

   einen langgelanggestreckten Anode und'Kathode

   st?@ifeen Leiter an=

   J©öee d©!³ D£©d@nsli©der ein©
   "©©8sff®3?@n in Helfe©

   die Leiter
   sind.

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   3.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Dioden™ glieder vier in Reihe geschaltete Dioden C51>53, 55,57) aufweist.

   4.) Halbleitervorrichtung nach einem der Anspruch® 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Dioden (51,53,55,57) miteinander durch Kontaktscheiben (52,54,56), beispielsweiseLötscheiben, verbunden sind.

   5>) Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, daß. Jedes der Diodenglieder eine Mehrsah1 von in Form.eines Stapels abwechselnd angeordneten dotierten Halbleiterscheiben (.51»53,55,57) und Kontaktscheiben C52,54»56)aufweist.

   6.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Stapel vier Halbleiterscheiben und drei Kontaktscheiben angeordnet sind.

   7.)halbleitervorrichtungnach Anspruch 5 oder β, ι ■.■-■■■■

   dadurch gekennzeichnet, daß Jede der Halbleiterscheiben an beiden Oberflächen mit einer vor dem Stapeln aufgebrachten Kontaktmaterialauflage (iO3₉ 105) versehen ist und daß dieentgegengesetzten Stirnflachen des zusammengesetzten Stapels mit einer weiteren Kontaktmaterialauflage (106) versehen sind.

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