DE2049571A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

• Halbleiterbauelement Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, dessen Halbleitertablette zwischen metallischen, durch einen keramischen Isolierring gasdicht verbundenen, blechförmigen und elastischen Kontaktierungsteilen gehaltert ist. Beispiele solcher Halbleiterbauelemente sind Leistungethyristoren und Dioden, die für hohe Ströme ausgelegt sind. Da die eigentliche Halbleitertablette Temperaturen in der Größenordnung von IOOOC - wenn sie z.3. aus Silizium bestehen - nicht überschreiten sollen, muß bei derartigen Hochstrombetrieben für eine ausreichende Kühlung gesorgt werden. Aufgrund dieser Erfordernisse hat sich eine scheibenformige Ausführungsform derartiger Halbleiterbauelemente herausgebildet.
• Bei manchen Anwendungsfällen wird jedoch die Geräusahentwicklung solcher Bauelemente als belästigend und oftmals unzumutbar empfunden.
• Es stellte sich daher die Aufgabe, Halbleiterbauelemente gleicher elektrischer Eigenschaften zu entwickeln, die mit diesen Nachteilen nicht behaftet sind. Entsprechende Untersuchungen zeigten, daß bei der Strombelastung unter hohen Schaltfrequenzen zwischen den stromführenden Leitern und anderen Teilen aus magnetischen Werkstoffen der Halbleiterbauelemente starke mechanische Wechselkräfte auftreten, wodurch die magnetischen Teile zu mechanischen Schwingungen und demzufolge zu einer Geräuscherzeugung angeregt werden. Aus ferromagnetischen Werkstoffen - Vacon 10 - waren aber die Halterungselemente hergestellt. Aufgrund dieser Untersuchungen besteht die Lösung der angeschnittenen Probleme erfindungsgemäß darin, daß die Kontaktierungsteile aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffidient in der Größenordnung jenes des Keramikringes liegt, und die gasdichte Verbindung mit dem Isolationsring sowie evtl. isolierenden Eiektrodendurchführungen durch ein beide Teile ohne Schutzgas bzw. im Vakuum benetzendes Lot hergestellt ist. Es wurde weiterhin gefunden, daß für die Kontaktierungsteile Titan und Zirkon besonders gut geeignet sind.
• Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung si auf die Fig. 1 bis 3 verwiesen, in denen einige AusfÜh.rungsbeispiele näher dargestellt und aus denen weitere Einzelheiten und Merkmale dieser Erfindung zu entnehmen sind.
• Die Fig. 1 zeigt einen Hochleistungsthyristor, dessen Halbleitertablette 1 aus einer Siliziumscheibe besteht. Diese ist zwischen zwei Molybdänblöcken 2 und 3 gefaßt, die in elektrischem Kontakt mit napfförmigen Silberblechen 61 und 71 stehen.
• Diese Silberbleche wiederum sind mit ringförmigen Titanblechen 6 bzw. 7 verlötet, die abdichtend mit dem Isolationsring 5 aus A1203 verbunden sind. Über Kühiblöcke 8 und 9 wird die Verlustwärme abgeführt und der benötigte Anpreßdruck für die einwandfreie elektrische Kontaktierung im Inneren des Elementes entlang der Pfeilrichtung aufgebracht. Die Steuerelektrode 4 ist mit einer Keramikisolierung 4t durch das Titanblech 6 hindurehgeführt. Die Verbindung mit dem Isolierring 5 erfolgt über vorher auf diesem aufgelötete Flansche 62 und 72, die ebenfalls aus Titan bestehen. Beim Zusammenbau des gesamten Elementes müssen daher lediglich die Titanbleche 6 und 62 sowie 7 und 72 miteinander metallurgisch verbunden werden.
• Während dieses Verbindungsvorganges wird das gesamte Bauelement zweckmäßigerweise über die Kühlkörper 8 und 9 gekühlt und damit eine übermäßige Temperaturbeanspruchung der Haibleitertablette 1 vermieden. Es ist zur Vorbereitung dieses Arbeitsganges zweckmäßig, die Flanschringe 62 und 72 vorher auf den Isolierring 5 aufzulöten. Dies kann dadurch geschehen, daß dieser in üblicher Weise vorher metallisiert wird, z.B. durch einen MnMo-Uberzug und anschließend die Lötung mit den Titanflanschringen 62 und 72 erfolgt. Das hierfür verwendete Lot besteht erfindungagemäß aus einer Silberlegierung mit einem Gehalt von 15 bis 35 ,~, vorzugsweise 21,7 %, Kupfer. Bei letzterer Legierung liegt die Verarbeitungstemperstur etwa bei 830da. Dieses Lot hat eine ganz besonders gute Benetzungseigenschaft für Titan sowie Keramikmetallisierungen und andere Metalle, die Lötspalten werden vollständig und dicht ausgefüllt. Es ist dabei auch eine gleichzeitige Lötung verschiedener Stellen, z.B. auch der EleXtrodendurchführung 4, möglich. Die Anwendung eines Flußmittels ist nicht notwendig, es ist Jedoch zweckmäßig, die Lötung im Vakuum durchzuführen, da Titan eine starke Reaktionsneigung mit Sauerstoff und Stickstoff hat. Die rein äußere Form dieses Ausführungsbeispieles ist praktisch die gleiche, wie sie z.Zt. gebrauchlich ist, die bisher üblichen Vaconteile wurden lediglich durch Titanteile ersetzt. Diese könnten in gleicher Weise auch aus Zirkon hergestellt werden. Diese Materialien wurden ausgewählt, da sie unmagnetisch sind, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten oA im Bereich von 5 bis 9 . 10 6 #oO haben, sich durch Stanzwerkzeuge gut schneiden und ziehen lassen und letztlich gut schweiß- und lötbar sind.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, Hier wurden zunächst die Silberfolien 61 und 71 weggelassen und die Bleche 6 und 7 selbst napfförmig ausgebildet. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zu den Xoiybdänblöcken 2 und 3 wurde eine dünne Silberfolie 21 und 31 in der dargestellten Weise eingebracht. Weiterhin wurde der Flanechring 62 weggelassen und das Titanblech 6 direkt auf den Keramikring 5 aufgelötet. Das Herstellungsverfahren eines solchen Halbleiterbauelementes läßt sich dann durch folgende Schritte kurz darstellen: Gleichzeitiges Verlöten des Keramikringes 5 mit dem Titan blech 6 und dem Ringflansch 72 sowie Einlöten des Isolierkörpers 41 für die Durchführungselektrode 4. Die räumliche Ausbildung dieser Durchführung ist in Fig. 2a näher dargestellt. Der Isolierkörper 41 ist in einer tiefgezogenen Bohrung des Bleches 6 eingesetzt unter Zwischenlage eines Lötdrahtes 65.
• Die Elektrode 4 ist durch die Bohrung dieses Isolierkdrpers 41 hindurchgeführt, die eine leichte Erweiterung hat und in die ebenfalls ein Lotdrahtring 45 eingelegt ist. Nach dem Zusammenstecken dieser Teile werden sie z.B. in einem Ofen in einem Arbeitsgang miteinander verlötet, wobei sich eine dichte Verbindung zwischen der Elektrode 4 und dem Isolierkörper 4t sowie zwischen diesen und dem Blech 6 ergibt. Außerdem wird eine dichte Verbindung mit Hilfe des bereits genannten Lotes 63 gegenüber der Isolierung 5 hergestellt. Anschließend wird die Silberfolie 21, die Molybdänblöcke 2 und 3 sowie die Halbleitertablette 1 eingelegt und die Steuerelektrode an die Siliziumscheibe 1 angeschlossen. Dann wird wiederum eine Silberfolie 31 auf den Molybdänkörper 3 aufgelegt und zum Schluß die napfförmigetiefgezogene Titanscheibe 7 aufgelegt und die gesamte Anordnung mit Hilfe der Kühlkörper 8 und 9 zusammengespannt. Nunmehr ist lediglich eine Dichtverbindung 74 zwischen den Teilen 72 und 7 vorzunehmen.
• Der Unterschied zwischen Thyristoren und Dioden liegt lediglich darin, daß die Dioden keine Steuerelektroden benötigen, ansonstenist der grundsätzliche Aufbau einer Diode praktisch der gleiche.
• Beim Schmelzen des Lotes löst sich eine geringe Menge Titan bzw. Zirkonium aus den Blechen 6 bzw. 7, so daß dadurch aus der Lotlegierung ein sogen. Aktivlot wird. Mit diesem wäre es sogar möglich, ohne eine Metallisierung der Keramikteile eine einwandfreie Lot verbindung zwischen den in Frage kommenden Teilen herzustellen.
• Es wäre auch möglich, die Verbindung zwischen dem Blech 6 und dem teramikring 5 ohne Verwendung eines Zwischenlotes allein durch sogen. Diffusionelötung herzustellen. Dieser Fall ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dazu wird der untere Flanschring .72 durch einen ebenen Ring 73 ersetzt und der für die Diffußionslötung notwendige Spanndruck über die Körper 51 und 52, z.B.
• aus Ceroxyd, aufgebracht. Der Nachteil dieser Methode liegt lediglich im höheren Zeitbedarf. Nach dem Zusammenbau des Halbleiterbauelementes würde dann analog zum genannten Verfahren gemäß Fig. 2 das Titan- bzw. Zirkonblech 7 mit dem Flanschring 73 metallurgisch verbunden.
• Dieser Aufbau von HaLbleiterbauelementen mit Hilfe von nichtmagnetischen Materialien hat gegenüber dem Stande der Technik nicht nur den Vorteil der Geräuschfreiheit, sondern auch der geringeren Belastung der Verbindungsstellen zwischen Keramik und Metall, da Schwingungen, die durch Geräuschbildung erkennbar sind, hier nicht mehr auftreten.
• Abschließend sei erwähnt, daß neben den genannten Materialien Zirkon und Titan auch Niob, Tantal und Vanadium für die Bauteile 6 und 7 Verwendung finden könnten. Jeaoch sind die in den Beispielen genannten Materialien aus verbindungstechnischen Gründen vorzuziehen Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese in den Beispielen genannte Form an scheibenförmigen Halbleiterbauelementen beschränkt. Ihre sinngemäße Anwendung ist auch bei anderen Konstruktionen möglich und vorteilhaft.
• 3 Figuren 7 Patentansprüche

Claims (7)

1. Patentansprüche 1) Halbleiterbauelement, dessen Halbleitertablette zwischen @ Halbleiterbauelement, dessen Halbleitertablette zwischen metallischen, durch einen keramischen Isolationsring gasdicht verbundenen, blechförmigen und elastischen Kontaktierungsteilen gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsteile aus einemnichtmagnetischen Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in der Größenordnung jenes des Isolationsringes liegt und die gasdichte Verbindung riit dem Isolationsring sowie evtl. isolierten Elektrodendurchführungen durch ein beide Teile im Schutzgas bzw.

   im Vakuum benetzendes Lot hergestellt ist.
2. 2) dieHalbleiterbauelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsteile die Gestalt eines napfförmigen, tiefgezogenen Bleches haben und mit ihrem Rand direkt bzw.

   über einen Flanschring, vorzugsweise gleichen Materials, mit dem Keramikring verlötet sind.
3. 3) llalbleiterbaueleinent nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsbleche aus Titan bzw. Zirkon bestehen.
4. 4) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der napfförmige Teil der Kontaktierungsteile aus Silber oder einer Silberlegierung bestehen.
5. 5) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungslot aus einer Silberlegierung mit 15 bis 35 %, vorzugsweise 21,7 %, Kupfer besteht, dessen Verarbeitungstemperatur in der Größenordnung von 800°C liegt.
6. 6) Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot zusätzlich bis zu 10 % Titan bzw. Zirkon enthält.
7. 7) Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Titan bzw.

   Zirkonblech und dem Keramikring au#s einer Diffusionelötung besteht.

   L e e r s e i t e