DE2109116A1

DE2109116A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2109116A1
Application number: DE19712109116
Authority: DE
Inventors: Nils Eric Dipl Ing Farkas Tibor Vasteraas Andersson (Schweden) P
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1970-03-05
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1971-09-16
Also published as: DE2109116C3; DE2109116B2; SU503563A3; SE350874B; US3649738A; GB1333190A

Description

Halbleiteranordnung

Halbleiteranordnungen haben üblicherweise ein Halbleitersystem, das aus einer Halbleiterscheibe, z.B. aus Silizium oder Germanium, und meistens aus mindestens einer Stützplatte, z.B. aus Molybdän, für die Halbleiterscheibe besteht. Das Halbleitersystem liegt zwischen zwei Anschlußkörpern für den elektrischen Strom. Die Anschlußkörper können am Halbleitersystem angelötet sein, aber auch nur unter Druck am Halbleitersystem anliegen, in diesem Fall befindet sich also keine Lötschicht zwischen den Anschlußkörpern und dem Halbleitersystem· Das Halbleitersystem wird normalerweise zumindestens auf der einen Seite gekühlt, um die Verlustleistung in der Halbleiterscheibe abzuleiten.

Bei Halbleiteranordnungen mit angelöteten Anschlußkörpern ist es bekannt, die Kühlung mit einem strömenden flüssigen Kühlmittel vorzunehmen, das in Kontakt mit einem Anschlußkörper gebracht wird.

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Bei Halbleiter sy stemen mit angedrückten Anschlußkörpern ist es ein Problem, eine gleichmäßige Belastung des Halbleitersystems zu erreichen. Eine gleichmäßige Belastung ist besonders wichtig, teils um einen guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen dem Anschlußkörper und dem Halbleitersystem an seiner ganzen Fläche zu erhalten und teils um eine gleichmäßige mechanische Belastung über die ganze Fläche des Halbleitersystems zu erreichen. Eine ungleichmäßige Belastung kann nämlich zu Rißbildung in der spröden Halbleiterscheibe führen.

Gemäß der Erfindung erreicht man gleichzeitig eine besonders wirksame Ableitung der Verlustleistung im Halbleitersystem und eine besonders gleichmäßige mechanische Belastung der Oberfläche des Halbleitersystems.

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, z.B. einen Transistor, einen Thyristor oder eine Kristalldiode, die aus einem Halbleitersystem in Scheibenform besteht, das eine HaIbleiterscheibe enthält und zumindestens auf einer Seite mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel gekühlt wird. Diese Anordnung iat erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zur Aufnahme des Kühlmittels ein Behälter dient, der eine dem Halbleitersystem zugewandte und auf dieses zu bewegliche Wand hat, und daß das Kühlmittel die bewegliche Wand gegen das Halbleitersystem gepreßt hält und dadurch einen wirksamen elektrischen und thermischen Kontakt zwischen der beweglichen Wand und dem Halbleitersystem herstellt.

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Die bewegliche Wand besteht aus einem metallischen Material mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Messing, Nickel, Molybdän oder Legierungen mit einem oder mehreren dieser Metalle. Besonders vorteilhaft sind Kupfer, Silber und Aluminium sowie Legierungen aus diesen Grundstoffen, wie z.B· Zirkonium-Kupfer (Zr 0,10-0,30 %, Cu rest.), Chrom-Kupfer (Cr 0,2-1 %, Cu rest·), Silber-Kupfer (Ag 0,08 %, Cu rest.), Silumin (12 % Si, 88 % Al) und Duralumin (0,5 % Mn, 0,5 % Mg, 4 % Cu und 95 % Al).

Die bewegliche Wand kann beweglich sein, weil die übrigen Wände des Behälters beweglich oder dehnbar sind. Diese können z.B. balgförmig und in Richtung auf das Halbleitersystem dehnbar sein. Die dem Halbleiter system zugewandte bewegliche Wand braucht dabei nicht besonders dünn zu sein· Sie kann z.B. eine Dicke bis zu 5 mm haben. Es ist jedoch ein Vorteil, wenn sie dünn ist, vorzugsweise 0,05-1 mm, und nachgiebig, da sie sich dann besser der Oberfläche des Halbleitersystems anpassen kann·

Die bewegliche Wand kann auch allein beweglich sein, während die übrigen Wände des Behälters starr sind. In diesem Fall besteht die bewegliche Wand aus einer dünnen Membrane, die gegenüber dem Halbleitersystem nachgiebig ist und sich dessen Oberfläche anpassen kann· Die Dicke der beweglichen Wand ist hier zweckmäßigerweise 0,05-2 mm, vorzugsweise 0,05-1 mm.

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Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit, z.B. Wasser oder Öl, sein oder ein Gas, z.B. Luft. Der Druck des Kühlmittels ist zweckmäßigerweise 10-500 kp/cm und vorzugsweise 50-500 kp/cm . Das Kühlmittel wird vorzugsweise kontinuierlich durch den Behälter geleitet, kann aber auch nichtkontinuierlich zu- und abgeleitet werden.

Außer der Halbleiterscheibe aus beispielsweise Silizium oder Germanium kann das Halbleitersystem zumindestens eine auf einer ψ Seite der Halbleiterscheibe angeordnete Stützplatte aus Molybdän, Wolfram oder anderem Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe enthalten. Das Halbleitersystem kann jedoch außer der Halbleiterscheibe aus nur auf einer oder beiden Seiten der Halbleiterscheibe angeordneten dünnen Metallschicht bestehen, die z.B. durch Aufdämpfen oder Kathodenzerstäubung oder elektrolytisch aufgetragen sind. Die Metallschichten können in Verbindung mit der Dotierung der Halbleiterscheibe gebildet werden oder in einem separaten Prozeß danach. Die Schichten können beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Beil, Indium und Legierungen mit einem dieser Metalle bestehen. Das Halbleitersystem kann auch nur aus der Halbleiterscheibe bestehen, wobei es zweckmäßig ist, eine Halbleiterscheibe mit hoch dotierter Oberfläche zu wählen.

Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung kann nur von einer Seite oder von beiden Seiten gekühlt werden.

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Die bewegliche Wand kann direkt am Halbleitersystem anliegen, ohne daß Teile eines Gehäuses für das übliche hermetisch dichte Einschließen des Halbleitersystems dazwischenliegen. Dadurch erhält man einen besonders guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen dem Halbleitersystem und der beweglichen Wand.

Aufgrund der gleichmäßigen Belastung, die gemäß der Erfindung auf das Halbleitersystem ausgeübt wird, ist die erfindungsgemäße Anordnung für Halbleitersysteme ohne Stützplatte gut geeignet. " Indem man die Verwendung einer Stützplatte zwischen der Halbleiterscheibe und der beweglichen Wand vermeidet, erhält man einen besonders guten Kontakt zwischen der Halbleiterscheibe und der beweglichen Wand. Das Halbütersystem besteht in diesem Fall nur aus der Halbleiterscheibe mit der auf der Oberfläche angeordneten dünnen Metallschicht, die durch Einlegieren von Dotierungsmetallen, z.B. Gold-Antimonlegierung und Aluminium, oder durch Eindiffusion von Dotierungsmetallen, z.B. Arsen und Gallium, gebildet wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt eine einseitig gekühlte Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 schematisch einen Zirkulationskreis für das Kühlmittel zu einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung und

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Fig. 3 und 4 im Querschnitt doppelseitig gekühlte Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung.

In der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1 ist eine runde Siliziumscheibe 10, Typ P-N-N+, auf der Unterseite mit einer nicht gezeigten Aluminiumschicht an einer Stützplatte 11 aus Molybdän oder einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskaäffizient wie Silizium festgelötet und auf der Oberseite mit einem legierten Gold-Antimon-Kontakt in Form einer Schicht 12 versehen. Das aus den Elementen 10, 11 und 12 bestehende Halbleitersystem ist hermetisch dicht in einem Gehäuse eingeschlossen, das eine Grundplatte 12 z.B. aus Kupfer hat, die auch als Anschlußkörper dient, einen haubenartigen Teil in Form von zwei Ringen 14 und 15 aus Metall, z.B. Kupfer oder Eisen-Nickel-Legierung, einen Ring 16 aus Isoliermaterial, z.B. Porzellan, und einen Deckel 17 aus Metall, z«B. Kupfer oder Stahl, Am Deckel 17 ist ein becherförmiger Teil 18 befestigt, der mit einem Balg, 19 z.B. aus Kupfer oder rostfreiem Stahl versehen ist, so daß dessen Boden 20 in vertikaler Richtung beweglich ist und gegen das Halbleitersystem gedrückt werden kann. Der Deckel 17 und der becherförmige Teil 18 bilden zusammen einen Raum 21, der von dem von den Teilen 13, 14, 16 und 18 begrenzten Raum 22 abgeschlossen ist. Der Boden 20, d.h· die zum Halbleitersystem ^_-_ bewegliche Wand,hat eine Dicke von 1,5 mm. Der becherförmige Teil, der auch als Anschlußkörper dient, hat eine WancSLcke von 0,5 mm. Der Raum 21 hat eine Öffnung 23 zum Zulaufen und einer Öffnung 24 zum Ablaufen einer Flüssigkeit, z.B. Öl oder Wasser,

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die durch den Raum 21 zirkuliert, um die Halbleiterscheibe 10 zu kühlen und den Boden 20 gegen das Halbleitersystem zu pressen. Der Druck der Flüssigkeit in dem Behälter ist 150 kp/cm . Die Flüssigkeit wird über das Rohr 25 in den Raum 21 gegen den zentralen Teil des Bodens geleitet. Die verschiedenen Teile der Halbleiteranordnung sind auf übliche Art durch Löten, Schweißen oder Kaltpressen aneinander befestigt. Das Halbleitersystem 10, 11, 12 ist nicht durch Löten oder dergleichen auf der Grundplatte 13 oder dem Boden 20 fixiert, sondern hat nur dadurch mit diesen Körpern Kontakt, daß der Boden von dem Kühlmittel gegen das Halbleitersystem gedruckt wird. Der Strom ist an den Teilen 13 und 17 angeschlossen.

Zu dem Zirkulationskreis der Flüssigkeit außerhalb der Halbleiteranordnung gehört, wie aus Fig. 2 hervorgeht, eine Zirkulationspumpe 26, z.B. eine Flügelpumpe oder eine Zahnradpumpe und ein Wärmeaustauscher 27 zur Kühlung der Flüssigkeit» Zum Aufrechterhalten des Druckes ist in einem besonderen Umlauf eine Pumpe 28 eingeschaltet, z.B. eine Schneckenpumpe, eine Kolbenpumpe, eine Flügelpumpe oder eine Zahnradpumpe. Außerdem hat der genannte Umlauf einen Flüssigkeitsvorrat 29 zum Ausgleich etwaiger aus dem System austretender Flüssigkeit, der am Zirkulationskreis angeschlossen ist. Der Pumpe 28 ist zum Regeln des Druckes in dem System ein Überlaufventil 30 parallelgeschaltet. Fig. 2 zeigt von der Halbleiteranordnung gemäß Fig, 1 nur den Behälter für das Kühlmittel, d.hv die Teile 17 und 18, «it dem von diesen eingeschlossenen Raum 21. Die übrigen Teile der Halbleiteranordnung gemäß Figo 1 sind somit in Fig. 2 nicht gezeigt.

In der Anordnung gemäß Fig. 3 ist das Halbleitersystem von derselben Art wie in Fig. 1.Es ist hermetisch in einem Gehäuse eingeschlossen, das aus zwei dünnen Scheiben 31 und 32 aus

wie
Metall/z.B. Kupfer oder Bisen-Nickellegierung, besteht, die an einem Ring 33 aus Isoliermaterial, z.B. Porzellan, mit Kupfer-Silberlot angelötet sind. Auf beiden Seiten des Halbleitersysteins sind zylindrische Behälter 34 bzw. 35, z.B. aus Stahl, für ein Kühlmittel angeordnet. Sie haben Böden 36 bzw. 37 in Form von dünnen Membranen aus Kupfer, die mit Kupfer-Silberlot am Stahlbehälter angelötet sind. Die Wanddicke der Membranen beträgt 0,5 mm. Das Kühlmittel, Wasser, Öl oder Luft, wird öffnungen 38 und 39 zu- und durch Öffnungen 40 und 41 Der Druck des Kühlmittels ist 150 kp/cm · Zirkulationskreise gemäß Fig. 2 können für das Kühlmittel angewandt werden. Die beiden Behälter werden mit mehreren Bolzen 42 aus Isoliermaterial in um den Behälter herum angeordneten Flanschen 43 und 44 auf richtigen Abstand voneinander gehalten. Deu&ontakt zwischen dem Halbleitersystem und den Membranen 36 und 37 wird nur durch den Druck des Kühlmittels zustandegebracht. Der Strom kann an die * Behälter 34 und 35 oder an besondere Anschlußleiter aus Kupfer angeschlossen werden, die mit den Membranen 36 und 37 verbunden sind.

In dem Halbleitersystem gemäß Fig. 4 besteht die Halbleiterscheibe aus einer Siliziumscheibe 50, Typ PNPN. Sie hat auf der einen Seite einen einlegierten Aluminiumkontakt in Form einer dünnen Schicht 51 und auf der anderen Seite einen einlegierten GoId-

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Antimon-Kontakt in Form einer dünnen Schicht 52. Die Behälter 34 und 35 mit den Böden 36 und 37 in Form von Membranen und mit den öffnungen 38 und 39 bzw. 40 und 41 sind von derselben Art wie in Fig. 3. Die Membranen, die eine Dicke von O, 2 mm haben können, liegen in diesem Fall direkt ohne dazwischenliegende Stützplatte an den Kontakten 51 und 52 der Halbleiterscheibe an. Die dünnen Membranen in Verbindung mit dem Flüssigkeitsdruck oder Gasdruck bewirken, daß die Halbleiterscheibe ohne Stützplatte verwendet werden kann, da dagftisiko, daß die · Halbleiterscheibe infolge von ungleichmäßiger Belastung zerbricht, minimal ist. Die Halbleiterscheibe ist hermetisch dicht eingeschlossen, und zwar dadurch, daß die Behälter mit Flanschen 53 und 54 um den Mantelumfang herum versehen und diese mit z.B. Kupfer-Silberlot am Porzellanring 55 fixiert sind. Das Kühlmittel wie Wasser oder Öl kann auf die in Fig. 2 gezeigte Art zirku-

lieren. Der Flüssigkeitsdruck kann 150 kp/cm sein. Flanschen und Bolzen aus Isoliermaterial fixieren die Behälter in den richtigen Lagen zueinander, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Steuerelektrode 56 des Thyristors ist durch ein Loch in dem Porzellanring gezogen, wobei der Spalt um die Steuerelektrode hermetisch verschlossen wird, und an einem Anschlußleiter 57 angeschlossen· Der Hauptstrom kann wie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben angeschlossen werden.

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Claims

Patentansprüche:

^r1 J Halbleiteranordnung, z.B. ein Transistor, ein Thyristor oder eine Kristalldiode, bestehend aus einem Halbleitersystem in Scheibenform, das eine Halbleiterscheibe enthält und zumindestens auf einer Seite mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Kühlmittels ein Behälter (21) dient, der eine dem Halbleitersystem zugewandte und auf dieses zu bewegliche Wand (20) hat, W und daß das Kühlmittel die/bewegliche Wand gegen das Halbleitersystem (10, 11, 12) gepreßt hält und dadurch einen wirksamen elektrischen und thermischen Kontakt zwischen der beweglichen Wand und dem Halbleiter system herstellt.

2· Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter mit Kühlmittel auf der anderen Seite des Halbleiter systems angeordnet ist, der auch eine dem Halbleitersystem^ugewandte, auf dieses zu bewegliche Wand hat, . und daß das Kühlmittel in dem zweiten Behälter, dosen bewegliche Wand gegen die andere Seite des Halbleitersystems gepreßt hält und dadurch einen wirksamen elektrischen und thermischen Kontakt zwischen dieser beweglichen Wand und der anderen Seite des Halbleitersystems herstellt.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand (20, 36, 37) eine dünne Membran (20, 36, 37) aus metallischem Materia^Ast.

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4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand bzw. die beweglichen Wände (20, 36, 37) direkt am Halbleitersystem (10, 11, 12) anliegen.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersystern keine Stützplatten hat.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Kühlmittel 10 - 500 kg/cm beträgt.

7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel kontinuierlich durch den Behälter geleitet wird.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser oder öl ist.

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Luft ist.

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