DE2109116C3 - Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement und einem Kühlmittelbehälter - Google Patents
Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement und einem KühlmittelbehälterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine solche Halbleiteranordnung ist bekannt aus dem DE-GM 19 76 270. Bei dieser
Halbleiteranordnung ist der Behälter für das Kühlmittel starr ausgebildet und wird mittels eines Spannrahmens
gegen das Halbleiterbauelement gedrückt.
Bei diesem Halbleiterbauelement ist es schwierig, eine gleichmäßige Druckbelastung des Halbleiterbauelements
zu erreichen. Eine gleichmäßige Belastung ist besonders wichtig, teils um einen guten elektrischen und
thermischen Kontakt zwischen dem Anschlußkörper und dem Halbleiterbauelement an seiner ganzen Fläche
zu erhalten und teils um eine gleichmäßige mechanische Belastung über die ganze Fläche des Halbleiterbauelements
zu erreichen. Eine ungleichmäßige Druckbelastung kann zu Rißbildung in der spröden Halbleiterscheibe
führen.
Aus der DE-OS 15 39 325 ist eine aus Halbleiterkörpern
aufgebaute Thermoelementenanordnung bekannt, bei der zwei nebeneinander angeordnete längliche
Körper (Schenkel) aus Halbleitermaterial mit ihren stirnseitigen Enden zwischen zwei Wärmeaustauschern
angeordnet sind. Um bei Anordnung einer Vielzahl solcher Thermoelemente zwischen denselben beiden
ίο Wärmeaustauschern trotz bestehender Herstellungstoleranzen eine gute Anlage aller Halbleiterkörper an
die Wärmeaustauscher zu erreichen, ist in einem der Wärmeaustauscher für jedes Thermoelement ein
nachgiebiges Druckstück angeordnet Dieses besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten elastischen Körper, der
mittels einer im Wärmeaustauscher vorhandenen mechanischen Spannvorrichtung gegen die Halbleiterkörper
des Thermoelements andrückbar ist. Zwischen dem Druckstück und den Halbleiterkörpern ist eine
2n isolierende Schicht eingelegt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art
derart auszubilden, daß eine gute thermische Ableitung der Verlustleistung des Halbleiterbauelements und
gleichzeitig eine gleichmäßige mechanische Belastung der Oberfläche des Halbleiterbauelements und ein
dementsprechend guter thermischer und elektrischer Kontakt zwischen der Abnahmeelektrode und dem
Halbleiterbauelement erreicht wird.
in Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Bei einer Ausführungsform der Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung ist die Halbleiteranordnung dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter mit
Kühlmittel, der eine der anderen Seite des Halbleiterbauelements zugewandte und in Richtung auf dieses
bewegliche oder membranartig ausgebildete, als Abnahmeelektrode dienende Wand hat, vorhanden ist.
4n Durch die von dem Kühlmittel auf die bewegliche
oder membranartig ausgebildete Wand ausgeübte Kraft wird eine gute und gleichmäßige Anlage, die von
Wärmedehnungen nicht beeinflußt wird, an das Halbleiterbauelement erzielt. Man erhält somit eine
•'S gute Wärmeableitung und eine gleichmäßige Verteilung
der Anpreßkraft gegen das Halbleiterbauelement.
Die bewegliche Wand besteht aus einem metallischen Material mit guter elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer, Silber, Gold, Aluminium,
jo 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% AI).
Die bewegliche Wand kann dadurch beweglich sein, daß die übrigen Wände des Behälters beweglich oder
M) dehnbar sind. Diese können z. B. balgförmig und in
Richtung auf das Halbleiterbauelement dehnbar sein. Die dem Halbleiterbauelement zugewandte bewegliche
Wand braucht dabei nicht besonders dünn zu sein. Sie kann z. B. eine Dicke bis zu 5 mm haben. Es ist jedoch
b5 ein Vorteil, wenn sie dünn ist, vorzugsweise 0,05 bis
1 mm, und nachgiebig, da sie sich dann besser der Oberfläche des Halbleiterbauelementes anpassen kann.
Die bewegliche Wand kann auch allein beweglich
sein, wahrend die übrigen Wände des Behälters starr sind. In diesem Fall besteht die bewegliche Wand aus
einer dünnen Membrane, die gegenüber dem Halbleiterbauelement nachgiebig ist und sich dessen Oberfläche
anpassen kann.
Die Dicke der beweglichen Wand ist hier zweckmäßigerweise 0,05bis2 mm, vorzugsv.eise0,05bis 1 mm.
Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit, z. B. Wasser oder öl, sein oder ein Gas, z. B. Luft. Der Druck des
Kühlmittels ist zweckmäßigerweise 10 bis 500 bar und vorzugsweise 50 bis 500 bar. Das Kühlmittel wird
vorzugsweise kontinuierlich durch den Behälter geleitet, kann aber auch nichtkontinuierlich zu- und abgeleitet
werden.
Außer der Halbleiterscheibe aus beispielsweise η
Silicium oder Germanium kann das Halbleiterbauelement zurr.indestens eine auf einer Seite der Halbleiterscheibe
angeordnete Stützplatte aus Molybdän, Wolfram oder anderem Material mit ungefähr demselben
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe enthalten. Das Halbleiterbauelement kann
jedoch außer der Halbleiterscheibe aus nur auf einer oder beiden Seiten der Halbleiterscheibe angeordneten
dünnen Metallschicht bestehen, die z. B. durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung oder elektroly- ;5
tisch 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, Blei, Indium und jo Legierungen mit einer dieser Metalle bestehen. Das
Halbleiterbauelement kann auch nur aus der Halbleiterscheibe
bestehen, wobei es zweckmäßig ist, eine Halbleiterscheibe mit hoch dotierter Oberfläche iu
wählen. 3^
Die bewegliche Wand kann direkt am Halbleiterbauelement anliegen, ohne daß Teile eines Gehäuses für das
übliche hermetisch dichte Einschließen des Halbleitersystens dazwischenliegen. Dadurch erhält man einen
besonders guten elektrischen und thermischen Kontakt *n
zwischen dem Halbleiterbauelement und der bewegli chen Wand.
Auf Grund der gleichmäßigen Belastung, die gemäß der Erfindung auf das Halbleiterbauelement ausgeübt
wird, ist die erfindungsgemäße Anordnung für Halbleiterbauelemente
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 j0
Wand. Das Halbleiterbauelement besteht in diesem Fall nur aus der Halbleiterscheibe mit der auf der Oberfläche
angeordneten dünnen Metallschicht, die durch Einlegieren von Dotierungsmetallen, z. B. Gold-Antitnonlegierung
und Aluminium, oder durch Eindiffusion von Dotierungsmetallen, z. B. Arsen und Gallium, gebildet
wird.
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand einer Zeichnung näher beschrieben. In diesel zeigt
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
Fig. 3 und 4 im Querschnitt doppelseitig gekühlte Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung.
In der Halbleiteranordnung gemäß Fig.] ist eine runde Siliciumscheibe 10, Typ PNN + , auf der Unterseite
mit einer nicht gezeigten Aiuminiumschicht an einer Stützplatte 11 aus Molybdän oder einem anderen
Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizient wie Silicium 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 Halbleiterbauelement
ist hermetisch dicht in einem Gehäuse eingeschlossen, das eine Grundplatte 13 1. 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 Halbleiterbauelement 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 Halbleiterbauelement bewegliche Wand, hat eine Dicke
von 1,5 mm. Der becherförmige Te'1, der auch als Anschlußkörper dient, hat eine Wanddicke von 0,5 mm.
Der Raum 21 hat eine öffnung 23 zum Zulaufen und eine öffnung 24 zum Ablaufen einer Flüssigkeit, z. B. öl
oder Wasser, die dur;h den Raum 21 zirkuliert, u;n die
Halbleiterscheibe 10 zu kühlen und den Boden 20 gegen das Halbleiterbauelement zu pressen. Der Druck der
Flüssigkeit in dem Behälter ist 150 bar. 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 Halbleiterbauelement 10, 11, 12 ist nicht durch Löten od dgl. 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 Halbleiterbauelement gedrückt 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, ζ. Β. eine Flügelpumpe oder eine Zahnradpumpe und ein
Wärmeaustauscher 27 zur Kühlung der Flüssigkeit. Zur 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 parallel geschaltet. Fi g. 2
zeigt von der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1 nur den Behälter für das Kühlmittel, d. h. die Teile 17 und 18,
mit dem von diesen eingeschlossenen Raum 21. Die übrigen Teile der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1
sind in F i g. 2 nicht gezeigt.
In der Anordnung gemäß Fig. 3 ist das Halbleiterbauelement
von derselben Art wie in Fig. 1. Es ist hermetisch in einem Gehäuse eingeschlossen, das aus
zwei dünnen Scheiben 31 und 32 aus Metall wie z. B. Kupfer oder Eisen-Nickellegierung, besteht, die an
einem Ring 33 aus Isoliermaterial, z. B. Prozellan, mit Kupfer-Silberlot angelötet sind. Auf beiden Seiten des
Halbleiterbauelements sind zylindrische Behälter 34
bzw. 35, ζ. 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 über öffnungen 38 und 39 zu- und durch Öffnungen 40 und 41 abgeleitet. Der Druck des
Kühlmittels ist 150 bar. Zirkulationskreise gemäß F i g. 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. Der Kontakt zwischen dem Halbleiterbauelement 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 Halbleiterbauelement gemäß Fig.4 besteht
die Halbleiterscheibe aus einer Siliciumscheibe 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 Gold-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 derselben Art wie in Fig. 3. Die
Membranen, die eine Dicke von 0,2 mm haben können, liegen in diesem Fall direkt ohne dazwischenliegende
Stützplatte an den Kontakten 51 und 52 der
r, Halbleiterscheibe an. Die dünnen Membranen in
Verbindung mit dem Flüssigkeitsdruck oder Gasdruck bewirken, daß die Halbleiterscheibe ohne Stützplatte
verwendet werden kann, da das Risiko, das die Halbleiterscheibe infolge von ungleichmäßiger BeIastung
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
iö Kühlmittel wie Wasser oder öl kann auf die in F i g. 2
ge^eigie Art zirkulieren. Der Flüssigkeitsdruck kann
150 bar 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement, z. B. Diode, Transistor, Thyristor, das aus
einem scheibenförmigen Halbleiterkörper und daran anliegenden Elektroden besteht und gegenüber
der Umgebung abgekapselt ist sowie mit einem Behälter für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel,
wobei der Behälter eine einer Seite des Halbleiterbauelements zugewandte als Abnahnieelektrode
dienende Wand hat und das Kühlmittel den Behälter durchfließt und die als Abnahmeelektrode
dienende Wand so gegen das Halbleiterbauelement gepreßt wird, daß dadurch ein wirksamer
elektrischer und thermischer Kontakt zwischen der Wand und dem Halbleiterbauelement hergestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem Halbleiterbauelement (10,11,12) zugewandte Wand
(20,36) des Behälters (18, 34) in Richtung auf dieses beweglich oder membranartig ausgebildet ist und
der Druck zwischen dieser Wand (20, 36) und dem Halbleiterbauelement (10, 11, 12) hydraulisch durch
das Kühlmittel erzeugt wird.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter (35) mit
Kühlmittel, der eine der anderen Seite des Halbleiterbauelements (10, 11, 12) zugewandte und
in Richtung auf dieses bewegliche oder membranartig ausgebildete, als Abnahmeelektrode dienende
Wand hat, vorhanden ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche oder
membranartig ausgebildete Wand bzw. Wände (20, 36, 37) direkt am Halbleiterbauelement (10, 11, 12)
anliegt bzw. anliegen.
4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterbauelements ohne Stützplatten.
5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck
im Kühlmittel 10 bis 500 bar beträgt.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kühlmittel Wasser oder öl ist.
7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kühlmittel Luft ist.
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