DE2247159A1 - HIGH VOLTAGE SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT - Google Patents

HIGH VOLTAGE SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT

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Description

Hochspannungs-Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine.Hochspannungs-Halbleiteranordnung, insbesondere auf eine Hochspannungs-Halb leiteranordnung geringer Stromaufnahme, wie sie für einen Hochspannungsleistungskreis eines Elektronenmikroskops, eines Röntgengeräts oder eines Fernsehempfängers verwendet wird. High voltage semiconductor device The invention relates to a.High-voltage semiconductor device, in particular on a high-voltage half Conductor arrangement with low power consumption, such as for a high-voltage power circuit an electron microscope, an X-ray machine, or a television receiver will.

Die bekannte Hochspannungs-Halbleiteranordnung geringer Stromaufnahme umfaßt ein Paar von Wolfram- oder Molybdän-Elektroden mit Je einem äußeren Anschlußdraht am Ende, eine Gleichrichtereinheit mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterplättchen, die zwischen den-Elekiroden eingefügt und laminiert gebunden sind, ein erstes Isoliermaterial, wie z. B. Silikongummi1 das auf dem Umfangsbereich der Gleichrichtereinheit ueber die gesamte Länge## einer Elektrode zur anderen aufgebracht ist, und tes Isoliermaterial, wie z. B. Silikonharz oder Epoxyharz, das über dem ersten Isolierübersug aufgebracht ist. The well-known high-voltage semiconductor device with low power consumption comprises a pair of tungsten or molybdenum electrodes, each with an outer lead wire at the end, a rectifier unit with a plurality of series-connected Semiconductor wafers that are inserted between the elecrodes and bonded in a laminated manner are, a first insulating material, such as. B. Silicone rubber1 that on the peripheral area the Rectifier unit applied over the entire length of one electrode to the other is, and tes insulating material such. B. silicone resin or epoxy resin, which is over the first insulating cover is applied.

Bei einer solchen Hochspannungs-Halbleiteranordnung ist die Bindung zwischen den Elektroden und den ersten Isoliermaterial instabil, und es tritt ein großer Unterschied des Wärmeausdehnungskat fizienten zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliermaterial auf, so daß sich, wenn das zweite Isoliermaterial nach dem Aufbringen auf das erste Tsoliermaterial ausgehärtet wird, oft ein Spalt zwischen diesen insbesondere über die Länge zwischen einer Elektrode und der anderen entwickelt, was zu einen dieiektrischen Durchschlag aufgrund der Kriechentladung und damit zu teuren Verlusten der Funktionen als Hochspannungs-Halbleiter anordnung führt. In such a high-voltage semiconductor device, the bond is between the electrodes and the first insulating material becomes unstable, and it occurs large difference in thermal expansion coefficient between the first and the second insulating material, so that when the second insulating material after Applying it to the first insulating material is cured, often leaving a gap between especially developed over the length between one electrode and the other, leading to dielectric breakdown due to the creeping discharge and thus to expensive loss of functions as a high-voltage semiconductor arrangement leads.

Um eine hohe Durchschlagsspannung zu erzielen, tat es üblich, eine Mehrzahl der genannten Hochspannungs-Halbleiteranordnungen in Reihe zu schalten und sie einstückig in Epoxyharz einzuforien. Dies ist nicht nur wirksa~#;un Verhindern der Entladung, die sonst zwischen den Stromzuführteilen oder freiliegenden Teilen des Leiters auftreten würde, sondern auch vorteilhaft zur Handhabung der Halbleiteranordnungen Jedoch hat dieser Aufbau den Nachteil, daß die erhöhte Querschnittsfläche des Epoxyharzes ein mechanische Beanspruchung verursacht, die bei der einzelnen Hochspannungs-Halbleiteranordnung nicht auftritt0 Epoxyharz hat allgemein einen um eine Größenordnung höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein Halbleiterplättchen, und das Halbleiterplättchen entwickelt bei hohen Temperaturen#aufgrund des Unterschiedes des Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Zugspannung, bei der das Halbleiterplåtts chen leicht versagt. Um dies zu verhindern, ist es übliche Praxis, die zulässige Umgebungstemperatur der einstückig eingeformten Vorrichtungen auf 108 OC oder weniger zu steuern. In order to achieve a high breakdown voltage, it was customary to use a To connect a plurality of said high-voltage semiconductor devices in series and integrally insert them in epoxy resin. This is not only effective and prevents the discharge that would otherwise be between the power supply parts or exposed parts of the conductor would occur, but also advantageous for handling the semiconductor devices However, this structure has the disadvantage that the increased cross-sectional area of the epoxy resin causes mechanical stress to be applied to the individual high-voltage semiconductor device does not occur0 Epoxy resin generally has a coefficient of thermal expansion that is an order of magnitude higher as a semiconductor die, and developed the semiconductor die at high temperatures # due to the difference in the coefficient of thermal expansion a tensile stress at which the semiconductor plate easily fails. To prevent this, It is common practice to limit the ambient temperature of the integrally molded Control devices to 108 OC or less.

Dieses Problem der Zugbelastung wird durch Verwendung eines ersten Isoliermaterials aus Glas gelöst, das hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Silizium und den Elektroden fast gleich ist. Auch läßt sich, da Glas nicht nur elektrisch stabil, sondern auch mechanisch fest ist, das zweite Isoliermaterial einsparen, wodurch sich hinsichtlich der Kompaktheit und geringeren Kosten der Hochspannungs-Halbleiteranordnung Vorteile ergeben. This tensile load problem is addressed by using a first Insulating material made of glass dissolved, which in terms of the coefficient of thermal expansion is almost the same as silicon and electrodes. Also, because glass, not only can The second insulating material is electrically stable but also mechanically strong save, thereby increasing the compactness and lower cost of the high-voltage semiconductor device Result in advantages.

Eine solche Hochspannungs-Halbleiteranordnung umfaßt dann ein Paar von Elektroden, eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterplättchen, die als Lamellierung untereinander verbunden sind, um eine Gleichrichtereinheit zu bilden, und eine Glasaufschwemmung oder Mischüng von Glaspulver und Wasser, die über die gesamte Länge zwischen den Elektroden am Außenumfang der Gleichrichtereinheit aufgebracht wird. Diese Glasaufschwemmung wird unter Erhitzen geschmolzen und nachher durch Abkühlung zum Erstarren gebracht. Such a high-voltage semiconductor device then comprises a pair of electrodes, a plurality of series-connected semiconductor wafers, the are connected as lamination to form a rectifier unit, and a glass suspension or mixture of glass powder and water, which over the applied entire length between the electrodes on the outer circumference of the rectifier unit will. This glass suspension is melted with heating and then through Cooling made to solidify.

Das am häufigsten verwendete Material eines Halbleiterplättchens ist Silizium. Auch wird Aluminiumlot wegen seines geringen Preises, guten ohmschen Kontakts und der Abwesenheit von Verspannung, wenn man das Glas erhitzt, allgemein als Lötmaterial verwendet. Silizium, Glas und Aluminium haben Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,52 x 10 bzw. bzw.25,7 x 10-6 bzw. 4,0 x 10 bzw 25,7 x 10-6. Dies zeigt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas etwa der gleiche wie der von Silizium ist, daß jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiumlots, wie vorstehend gezeigt, um etwa eine Größenordnung größer als der von Silizium ist, wodurch während des Vorganges der Abkühlung des Glases eine Druckbelastung im Glas und eine Zugbelastung im Siliziumhalbleiterplättchen und Aluminiumlohervorgerufen werden. Wegen des Unterschiedes der Zugfestigkeiten dieser Materialien, die 1 kg/mm2 bzw. 4 kg/mm2 bzw. 15 - 30 kg/im2 für Silizium bzw. Glas bzw. Aluminium betragen, kann es vorkommen, daß Siliziumhalbleiterplättchen oder sogar das Glas während des Abkühlens des Glases brechen, wodurch ein weitverbreiteter Gebrauch einer Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit glasüberzogenen Halbleiterplättchen verhindert wird. The most commonly used material in a semiconductor die is silicon. Also, because of its low price, aluminum solder becomes good ohmic Contact and the absence of tension when heating the glass, generally used as soldering material. Silicon, glass and aluminum have coefficients of thermal expansion of 3.52 x 10 or 25.7 x 10-6 or 4.0 x 10 or 25.7 x 10-6. This shows that the coefficient of thermal expansion of glass is about the same as that of silicon, that, however, the coefficient of thermal expansion of the aluminum solder, as shown above, is about an order of magnitude larger than that of silicon, whereby during the The process of cooling the glass results in a pressure load in the glass and a tensile load in silicon semiconductor wafers and aluminum flakes. Because of the difference the tensile strengths of these materials, which are 1 kg / mm2 or 4 kg / mm2 or 15 - 30 kg / im2 for silicon or glass or aluminum, it can happen that silicon semiconductor wafers or even break the glass while the glass is cooling, creating a common Use of a high voltage semiconductor device with glass coated semiconductor wafers is prevented.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit einem Paar von Elektroden, zwischen denen eine Lamellierung aus einer Mehrzahl von Halbleiterplättchen mit gegenseitiger fester Bindung eingefügt ist, die eine Gleichrichtereinheit bilden, die über die gesamte Länge von einer Elektrode zur anderen mit Glas überzogen ist, derart auszubilden, daß Eigenschaftsverschlechterungen oder Durchschläge infolge von Wärmeausdehnungserscheinungen verhindert werden. Eine solche Hochspannungs-lialbleiteranordnung soll gleichzeitig mechanisch fest, kompakt und wirtschaftlich herstellbar sein. Auch soll die Gleichrichtereinheit der Anordnung elektrisch nicht ungünstig beeinflußt werden, wenn man sie mit Glas überzieht. The invention is based on the object of a high-voltage semiconductor arrangement with a pair of electrodes between which a lamination of a plurality of semiconductor wafers is inserted with a mutual firm bond, the one Form rectifier unit that extends over the entire length of one electrode other is covered with glass to form such that property deterioration or breakdowns due to thermal expansion phenomena can be prevented. One Such a high-voltage conductor arrangement should at the same time be mechanically strong and compact and be economical to manufacture. The rectifier unit of the arrangement is also intended electrically not adversely affected if they are covered with glass.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Hochspannungs#Halbleiteranordnung mit einer Gleichrichtereinheit aus einem Paar von Elektroden, ainer Mehrzahl von zwischen den Elektroden in Form einer zylindrischen Lamellierung eingefügten Halbleiterpl.ättchen und einer Mehrzahl von Lötmateriallagen zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Halbleiterplättchen untereinander und einer schützenden Glasschicht die die Umfangsfläche der Gleichrichtereinheit über die gesamte Länge der Lamellierung von einer Elektrode zur anderen bedeckt, mit dem Kennzeichen, daß der Betrag der Wårmedehnung der Glei9hrichtereinheit gleich dem oder geringer als der der schützenden Glasschicht gemacht ist, indem die Dicke jedes der die Elektroden und Halbleiterplättchen verbindenden Lötmateriallagen oder die Dicke wenigstens eines die zylindrische Lamellierung bildenden Halbleiterplåttchens regulier-t oder in der Lamellierung wenigstens ein leitendes Abstandsstück mit angenähert dem gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie dem der Lamellierung aus Halbleiterplättchen eingefugt ist oder wenigstens eine Elektrode angenähert den gleichen Wärmedehnungskoeffizienten und die gleiche Querschnittsfläche wie die Halbleiterplättchen aufweist. The invention, with which this object is achieved, is a High-voltage semiconductor device with a rectifier unit of a pair of electrodes, a plurality of between the electrodes in the form of a cylindrical Lamination inserted semiconductor wafers and a plurality of solder material layers for the electrical and mechanical connection of the semiconductor wafers to one another and a protective glass layer covering the peripheral surface of the rectifier unit covered over the entire length of the lamination from one electrode to the other, with the indicator that the amount of thermal expansion is equal to the gliding straightener unit that of or less than that of the protective glass layer is made by increasing the thickness each of the solder layers connecting the electrodes and wafers, or the thickness of at least one semiconductor chip forming the cylindrical lamination regulates or approximates at least one conductive spacer in the lamination the same coefficient of thermal expansion as that of the lamination made from semiconductor wafers is inserted or at least one electrode has approximately the same coefficient of thermal expansion and has the same cross-sectional area as the die.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 2 einen Längsschnitt eines modifizierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem einige der als Lamellierung verbundenen Halbleiterplättchen dicker als die anderen sind; Fig. 3 einen Längsschnitt eines Teils eines anderen Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung, bei dem eine Mehrzahl von Abstandsstücken ohne PN-Ubergang und mit geringem elektrischen Widerstand zwischen einer Mehrzahl von als Lamellierung verbundenen Ilalbleiterplättchen eingefügt ist; und Fig. 4 einen Längsschnitt eines Teils einer integrierten Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleitereinheiten nach den Fig. 1, 2 und 3. The invention is illustrated with reference to the in the drawing Embodiments explained in more detail; 1 shows a longitudinal section of a Embodiment of the invention; Fig. 2 is a longitudinal section of a modified one Embodiment of the invention, in which some that as lamination bonded semiconductor dies are thicker than the others; 3 shows a longitudinal section part of another exemplary embodiment of the invention, in which a plurality of spacers without PN junction and with low electrical resistance between a plurality of semiconductor plates connected as a lamination is inserted; and FIG. 4 shows a longitudinal section of part of an integrated high-voltage semiconductor device with a plurality of semiconductor units according to FIGS. 1, 2 and 3.

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen iia, 11b, 11n Siliziumhalbleiterplättchen mit einem PN- oder PiN-Übergang, die als Lamellierung untereinander mittels Aluminiumlötmateriallagen 12b, 12c, . 12n so verbunden sind, daß die albleiterplättche elektrisch in Reihe geschaltet sind. In Fig. 1, reference numerals iia, 11b, 11n denote silicon semiconductor wafers with a PN or PiN transition, which are lamellated with one another by means of aluminum solder material layers 12b, 12c,. 12n are connected in such a way that the semiconductor plates are electrically in series are switched.

An den Siliziumhalbleiterplåttchen iia und lein, die an den Enden der Lamellierung liegen, sind äußere Zuführungsdrähte 13a und 13b angebracht. Die Elektroden 14a und 14b aus Wolfram oder Molybdän, die angenähert den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium haben, woraus die Halbleiterplättchen 11a, leib, ... iln bestehen, s-ind ebenfalls als Lamellierung mit den Halbleiterplättchen mittels Aluminiumlötmateriallagen 12a bzw. 12n+1 verbunden.On the silicon semiconductor wafers iia and lein, those at the ends the lamination, outer lead wires 13a and 13b are attached. the Electrodes 14a and 14b made of tungsten or molybdenum, which have approximately the same coefficient of thermal expansion like silicon, of which the semiconductor wafers 11a, leib, ... iln are made, s-ind also as lamination with the semiconductor wafers by means of aluminum solder material layers 12a or 12n + 1 connected.

Die Anordnung mit diesem Aufbau wird Gleichrichtereinheit genannt. In der Praxis stellt man diese Gleichrichtereinheit her, indem man eine bestimmte Dicke von Aluminiumlot auf beiden Seiten eines Halbleiterplättchens mit einer bestimmten Oberfläche aufbringt, wonach mehrere solche Plättchen übereinandergelegt und unter Erhitzung miteinander verbunden werden. Nach dem Abkühlen des-Aluminiumlots und der Halbleiterplättchen werden die als Lamellierung verbundenen Halbleiterplättchen mit einer Diamantschneide oder einem anderen Schneidgerät zu einem zylindrischen Stapel geschnitten, um Halbleiterplättchen mit bestimmter Oberfläche zu schaffen. Beim nächsten Schritt werden die Elektroden unter Hitze mit dem'Halbleiterplättchenstapel verbunden, um die Gleichrichtereinheit zu vervollständigen. The arrangement with this structure is called a rectifier unit. In practice, this rectifier unit is made by using a specific Thickness of aluminum solder on both sides of a semiconductor die with a certain surface, after which several such platelets are placed one on top of the other and are connected to each other under heating. After the aluminum solder has cooled down and the semiconductor wafers are the semiconductor wafers connected as a lamination with a diamond cutter or other cutting device to a cylindrical one Stacks cut to create semiconductor wafers with a specific surface area. In the next step, the electrodes are heated with the semiconductor chip stack connected to complete the rectifier unit.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise aluminium als Lötmaterial zum Verbinden der Halbleiterplättchen Ila, lib, lin untereinander und zum Verbinden der Elektroden 14a und 14b damit verwendet, da Aluminium nicht nur eine gute Benetzbarkeit für Silizium, sondern auch einen geeigneten Schmelzpunkt aufweist, so daß es nicht genügend schmilzt, um eine Trennung zwischen den verbundenen Teilen während des Erhitzungsvorganges des Glases zu verursachen, und einen niedrigen elektrischen Widerstand hat. Auch andere Lötmaterialien, wie z. 3. "Silumin"-Lötmaterialfolie aus einer Aluminium-Silizium-Legierung läßt sich verwenden, soweit die erwähnten Erfordernisse erfüllt sind. According to the invention, aluminum is preferably used as the soldering material for connecting the semiconductor wafers Ila, lib, lin with each other and for connecting the electrodes 14a and 14b used with it because aluminum not only has good wettability for Silicon, but also has a suitable melting point, so that it is insufficient melts to create a separation between the connected parts during the heating process of the glass and has a low electrical resistance. Even other soldering materials, such as 3. "Silumin" brazing material foil made of an aluminum-silicon alloy can be used as long as the requirements mentioned are met.

Die Gleichrichtereinheit wird über die gesamte Länge zwischen den Elektroden 14a und 74b mit einer Niedrigalkaliglasschicht überzogen, um die freiliegenden Umfangsteile jedes PN- oder PiN-Überganges zu stabilisieren und der Gleichrichtereinheit mechanische Festigkeit zu verleihen. The rectifier unit is over the entire length between the Electrodes 14a and 74b coated with a layer of low alkali glass to protect the exposed To stabilize peripheral parts of each PN or PiN transition and the rectifier unit to give mechanical strength.

Das Überzugsglas 15 besteht zunächst aus einer Mischung von Glaspulver und Wasser, die in Aufschwemmungsform gerührt und auf die Umfangsflächen der Gleichrichtereinheit aufgebracht wird. Das Verfahren zum Verarbeiten des Glases variiert mit dessen Zusammensetzung, doch nach den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Glas für etwa 3 Minuten auf 700 - 730 0C erhitzt und zu einem verfestigten Zustand abgekühlt. Daher sollen die Lötmateriallagen 12a, 12b, 12n+1 einen solchen Schmelzpunkt haben, daß sich die Halbleiterplättchen nicht bei Tem?eraturen von 700 - 730 °C wieder lösen, bei denen das Glas verarbeitet wird. The cover glass 15 initially consists of a mixture from Glass powder and water, which are stirred in suspension form and applied to the peripheral surfaces the rectifier unit is applied. The method of processing the glass varies with its composition, but according to the embodiments of the invention the glass is heated to 700 - 730 0C for about 3 minutes and solidified Condition cooled down. Therefore, the solder material layers 12a, 12b, 12n + 1 should be such Have melting point that the semiconductor wafers do not at temperatures of 700 - 730 ° C again, at which the glass is processed.

Die Hochspannungs-Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung, die den vorstehend beschriebenen Aufbau hat und nach den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten erhalten wird, umfaßt eine Gleichrichtereinheit mit einem axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gleich dem oder niedriger als der von Glas ist Mit anderen Worten ist der Betrag der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit erfindungsgemäß gleich dem oder geringer als der von Glas gemacht. Diese Beziehung läßt sich durch die Ungleichung (TH - TA) tl + i2t2) <= (TH I TA)°t3(tl + t2) wiedergeben, worin TH die anscheinende Erstarrungstemperatur des Glases 15, TA Raumtemperatur, o( der lineare Wärmedehnungskoeffizient der Halbleiterplättchen, 0< der lineare Wär-2 medehnungskoeffizient der Lötmateriallagen, 0(3 der lineare Wärmedehnungskoeffizient des Glases 15, tl die Gesamtdicke der Halbleiterplättchen und t2 die gesamte Dicke der Lötmateriallagen ist. Von diesen Größen sind TH, TA, Cci, # und 0<3 Konstanten, während t1 und t2 Variable sind. The high voltage semiconductor device according to the invention, which the structure described above and after the process steps described above is obtained, comprises a rectifier unit with an axial coefficient of thermal expansion, which is equal to or less than that of glass. In other words, is the amount the thermal expansion of the rectifier unit according to the invention is equal to or less than that than that made of glass. This relationship can be expressed by the inequality (TH - TA) tl + i2t2) <= (TH I TA) ° t3 (tl + t2), where TH is the apparent Solidification temperature of the glass 15, TA room temperature, o (the linear coefficient of thermal expansion of the semiconductor wafers, 0 <the linear thermal expansion coefficient of the 2 layers of solder material, 0 (3 the linear thermal expansion coefficient of the glass 15, tl the total thickness of the semiconductor wafer and t2 is the total thickness of the solder layers. Of these sizes are TH, TA, Cci, # and 0 <3 constants, while t1 and t2 are variables.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Gesamtdicke t2 der Lötmateriallagen so eingerichtet, daß die obige Ungleichung eingehalten wird. Diese Einstellung wird durch Regulieren der Dicke des Aluminiumlots vorgenommen, das jeweils auf dem Siliziumhalbleiterplättchen niedergeschlagen wird. In the embodiment shown in Fig. 1, the total thickness t2 of the solder material layers set up so that the above inequality is observed. This setting is made by regulating the thickness of the aluminum solder, each deposited on the silicon semiconductor wafer.

Als Ergebnis wird während des Vorgangs der Verfestigung des Glases 15 das Glas 15 einer Zugbelastung und die Gleichrichtereinheit einer Druckbelastung unterworfen. Silizium, das ein Hauptbestandteil der Halbleiterplättchen ist, gibt leicht einer Zugbelastung nach, wie oben erwähnt ist, hält jedoch eine erhebliche Druckkraft aus. Erfindungsgemäß werden die Halbleiterplättchen 11a, lib, ç e lin einer Druckkraft aufgrund der Wärmedehnung ausgesetzt,, brechen jedoch selten während des Abkühlungsvorganges bei stark verbesserter Ausbeute. As a result, during the process of solidification of the glass 15 the glass 15 a tensile load and the rectifier unit a pressure load subject. Silicon, which is a major component of semiconductor wafers, gives slightly after a tensile load, as mentioned above, but holds a significant one Pressure force. According to the invention, the semiconductor wafers 11a, lib, ç e lin subjected to compressive force due to thermal expansion, but seldom break during the cooling process with a greatly improved yield.

Allgemein hat Glas eine hohe mechanische Festigkeit, und der Glasüberzug 15 schützt nicht nur die Halbleiterplättchen 11a, lib, ... lein, sondern vor allem die freiliegenden PN- oder PIN-Übergänge gegenüber äußeren Kräften. In general, glass has high mechanical strength and the glass coating 15 not only protects the semiconductor wafers 11a, lib, ... lein, but above all the exposed PN or PIN junctions against external forces.

Auch ist es möglich, die Dicke des Glasüberzugs in Radialrichtung dünner zu machen, so daß der gesamte Aufbau der Hochspannungs-Halbleiteranordnung kompakter als beim bekannten Aufbau gemacht werden kann, der einen Überzug aus zwei Schichten von Epoxyharz vorsieht.It is also possible to adjust the thickness of the glass coating in the radial direction to make thinner, so that the entire structure of the high-voltage semiconductor device can be made more compact than the known structure, which has a coating of two Provides layers of epoxy resin.

Wie schon erwähnt, ist der lineare, Wärmedehnungskoeffizient des Aluminiumlots um eine Größenordnung größer als der von Glas, und daher läßt sich, wenn die Zahl der Halbleiterplättchen, die die Lamellierung bilden, groß ist, das erfindungsgemäß beabsichtigte Ziel durch Regulieren der Dicke t2 der Lotmateriallagen erreichen. Wenn die Zahlhder Halbleiterplättchen klein ist, wird es Jedoch praktisch unmöglich, die Dicke t2 der Lotmateriallagen unter Berücksichtigung der Wirkung der Lamellierungabindung sehr zu verringern. In einem solchen Fall läßt sich, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Dicke aller oder einiger Halbleiterplättchen erhöhen, um die ganze Anordnung in liialrichtung zu verlängern, so daß der Betrag der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit gleich dem oder geringer als der des Glasüberzugs gemacht werden kann, um auf die Gleichrichtereinheit eine Druckbelastung einwirken zu lassen. As already mentioned, the linear coefficient of thermal expansion is Aluminum solder is an order of magnitude larger than that of glass, and therefore, when the number of wafers forming the lamination is large, that according to the invention achieve intended goal by regulating the thickness t2 of the solder layers. However, when the number of dies is small, it becomes practically impossible to the thickness t2 of the solder material layers taking into account the effect of the lamellar bond very decrease. In such a case, as shown in Fig. 2, increase the thickness of all or some of the semiconductor dies to make up the whole array extend in liialrichtung so that the amount of thermal expansion of the rectifier unit equal to or less than that of the glass coating can be made to apply to the Let rectifier unit act a pressure load.

In Fig. 2 sind unter den Halbleiterplättchen 21a, 21b ... 21n, die untereinander zu einer Lamellierung verbunden sind, die Halbleiterplättchen 21a, 21b, 21c, 21n-2, 21n-1 und 21n, die an die Elektroden 24a und 24b angrenzen, dikker als die Plättchen 21d, ... 21n-3. Wenn die Halbleiterplättchen 21a, 21b, ... 21n einen PIN-Ubergang aufweisen, kann man die an die Elektroden 24a und 24b angrenzenden Halbleiterplättchen dicker als die übrigen Halbleiterplättchen machen, indem man die Dicke deren I-Zone erhõht. In Fig. 2, among the semiconductor dies 21a, 21b ... 21n, the are interconnected to form a lamination, the semiconductor wafers 21a, 21b, 21c, 21n-2, 21n-1 and 21n, which are adjacent to the electrodes 24a and 24b, are thicker than the platelets 21d, ... 21n-3. When the semiconductor dies 21a, 21b, ... 21n have a PIN junction, one can adjoin the electrodes 24a and 24b Make semiconductor wafers thicker than the rest of the semiconductor wafers by the thickness of the I-zone increases.

Die Halbleiterplättchen 21a, 21b, ... 21n werden wie die in Fig. 1 gezeigten Halbleiterplättchen hergestellt, indem man zunächst durch Aufdampfen Aluminiualot auf beiden Seiten einer Mehrzahl von Halbleiterplättchen zweier verschiedener Dicken aufbringt, sie zu einer Lamellisrung übereinanderlegt, erhitzt, abkühlt und die Anordnung zu einer Säule schneidet und an beiden Enden der Säule die Elektroden 24a und 24b mit den äußeren Zuführungsdrähten 23a und 23b befestigt, um so eine Gleichrichtereinheit fertigzustellen. Die Halbleiterplättchen 21a, 21b, .,. 21n werden untereinander und mit den Elektroden 24a und 24b mittels der Aluminiumlötmateriallagen 22a, 22b 0>O 22n+1 verbunden. Eine Glasaufschwemmung wird über die gesamte Länge von einer Elektrode 24a bis zur anderen Elektrode 24b der Gleichrichtereinheit aufgebracht, erhitzt, gesin tert und zwecks Fertigstellung einer Hochspannungs-Halb leiteranordnung zu einem Glasüberzug 25 abgekühlt. The semiconductor wafers 21a, 21b, ... 21n are made like those in Fig. 1 produced by first of all by vapor deposition Aluminum solder on both sides of a plurality of semiconductor wafers of two different types Applies thick layers, superimposes them to form a lamellar layer, heats, cools and the arrangement to a column cuts and the electrodes at both ends of the column 24a and 24b attached to the outer lead wires 23a and 23b so as to one Complete rectifier unit. The semiconductor wafers 21a, 21b,.,. 21n are mutually and with the electrodes 24a and 24b by means of Aluminum solder material layers 22a, 22b 0> O 22n + 1 connected. A glass suspension is over the entire length from one electrode 24a to the other electrode 24b applied to the rectifier unit, heated, sintered and for the purpose of completion a high-voltage semiconductor assembly to form a glass coating 25 cooled.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wirken die Halbleiterplättchen 21a, 21b, 21c, 21n-2, 21n-i und 21n zur Egulie rung des Betrags der Wärmedehnung der Hochspannungs-Halb leiteranordnung, und außerdem trägt ggf, eine erhöhte Dicke der I-Zone hier zu einer höheren Durchschlagsspannung bei Statt der Erhöhung der Dicke der Halbleiterplättchen können auch Abstandsstücke mit einem niedrigen elektrischen Widerstand und ohne Jeglichen PN-ffbergang in der Gleichrichtereinheit zum Erreichen des gleichen Zweckes eingefügt werden. Solche Abstandsstücke sollten vorzugsweise zwischen den Elektroden und den Halbleiterplättchen getrennt eingefügt werden, um eine verbesserte Durchbruchs spannung derjenigen Halbleiterplättchen zu erzielen, die sonst direkt an die Elektroden angrenzend liegen würden, Das Prinzip dieser Maßnahme ist bei der in Fig. 3 dargestellten Halbleiteranordnung verkörpert, wo man die Abstandsstücke 36a und 36b zwischen der Elektrode 34a und der Haibleiterplättchengruppe 31a, 31b ... 31n und zwischen der Elektrode 34b und der Halbleiterplättchengruppe eingefügt und mittels Aluminiumlotmateriallagen verbunden sieht. Es ist vorteilhaft, leicht verarbeitbare Abstandsstücke mit einem niedrigen elektrischen Widerstand sowie mit einem angenähert gleichen Wärme ausdehnungskoeffizient und einer annähernd gleichen Zerbrechlichkeit wie die Halbleiterplättchen zu verwenden. Nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet man ein P- oder N-Typ-Siliziunmaterial mit einer Verunreinigungskonzentration von etwa 1 x 1018 bis 1 x 10 9 Atome/cm3 oder mehr. In this exemplary embodiment, the semiconductor wafers 21a act 21b, 21c, 21n-2, 21n-i and 21n to regulate the amount of thermal expansion of the High-voltage semiconductor assembly, and also contributes, if necessary, an increased thickness of the I zone here leads to a higher breakdown voltage instead of increasing the thickness The die can also have spacers with a low electrical level Resistance and without any PN transition in the rectifier unit to achieve for the same purpose. Such spacers should preferably be inserted separately between the electrodes and the semiconductor wafers to achieve an improved breakdown voltage of those semiconductor wafers, which would otherwise be directly adjacent to the electrodes, the principle of this Measure is embodied in the semiconductor device shown in Fig. 3, where place spacers 36a and 36b between electrode 34a and the semiconductor die group 31a, 31b ... 31n and between the electrode 34b and the die group inserted and connected by means of aluminum solder material layers. It is beneficial easy to process spacers with a low electric Resistance and with an approximately the same coefficient of thermal expansion and approximately the same fragility as the semiconductor wafers. According to the embodiment of the invention, a P- or N-type silicon material is used with an impurity concentration of about 1 x 1018 to 1 x 10 9 atoms / cm3 or more.

Wenn die Querschnitt sf1 che der Abstandsstücke größer als die der Halbleiterplätt hen ist, wirkt die Belastung aufgrund der Wärmeausdehnung auf die Abstandsstüc'ke 36a und 36b, nicht aber auf die Elektroden, wodurch die Einfügung der Abstands stücke bedeutungslos wird Um die zu verhindern, soll die Querschnittsfläche der Abstandsatücke 36a und 36b gleich der der Halbleiterplättchen gemacht werden, und dadurch erleichtern sich auch die Herstellverfahren der Abstandsstücke und Halbleiterplättchen. If the cross-section sf1 surface of the spacers is greater than that of the Semiconductor platelets is hen, the stress due to thermal expansion acts on the Spacers 36a and 36b, but not on the electrodes, whereby the insertion the spacers becomes meaningless. To prevent this, the cross-sectional area should the spacers 36a and 36b are made equal to that of the semiconductor wafers, and this also facilitates the manufacturing processes for the spacers and semiconductor wafers.

Die aus einen Halbleiter eines einheitlichen Leitungstyps bestehenden Abstandsstücke mit einer hohen V.runr.inigungskonzentration werden unter Hitze mit den Siliziumhalbleiterplättchen vorab mittels Alumlnlumlötmateriallagen verbunden, und die Einheit wird dann zu einer zylindrischen Form geschnitten, worauf die Verbindung der Elektroden 34a und 34b einschließlich der äußeren Anschlußdrähte 33a und 33b mit dem zylindrischen Stapel unter Hitze zur Bildung einer Gleichrichtereinheit folgt. Those consisting of a semiconductor of a uniform conductivity type Spacers with a high concentration of V.Runr the silicon semiconductor wafers are connected in advance by means of layers of aluminum soldering material, and the unit is then cut into a cylindrical shape, whereupon the joint of electrodes 34a and 34b including external leads 33a and 33b with the cylindrical stack under heat to form a rectifier unit follows.

Während des Verfahrens zum Aufbringen des Glases 35 auf die Gleichrichtereinheit kommt es manchmal vor, daß sich Luft mit der Glasaufschwemmung vermischt, so daß Luftblasen zwischen dem Abstandsstück 36a und der Elektrode 34a oder zwischen dem Abstands stück 36b und der Elektrode 34b vorliegen. Die Anwesenheit der Abstands stücke 36a und 36b verhindert jedoch, daß solche Luftblasen die freiliegenden Teile von PN- oder PIN-Übergängen der Halbleiterplättchen 31a und 31n erreichen, die sonst an die Elektroden 34a und 34b angrenzend angeordnet wären, Infolgedessen wird die Durchbruchsspannung der Halbleiterplättchen 31a und 31n auch in Gegenwart der Luftblasen nicht verringert, wodurch es möglich wird, eine Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit gewünschter Durchbruchsspannung zu erzielen, Die Halbleiter-Abstandsstücke können an irgendwelchen Stellen zwischen den Halbleiterplättchen oder zwischen einer Elektrode und den Halbleiterplättchen eingefügt werden, wenn der einzige Zweck die Justierung der Wärmedehnun#g ist. Wenn es jedoch um eine Verbesserung der Durchbruchsspannung geht, ist der vorstehend erläuterte Aufbau anzuwenden. During the process of applying the glass 35 to the rectifier unit it sometimes happens that air mixes with the glass suspension so that Air bubbles between spacer 36a and electrode 34a or between the spacer 36b and the electrode 34b. The presence However, the spacer pieces 36a and 36b prevents such air bubbles from the exposed Reach parts of PN or PIN junctions of the semiconductor die 31a and 31n, which would otherwise be arranged adjacent to the electrodes 34a and 34b, as a result becomes the breakdown voltage of the dies 31a and 31n even in the presence of air bubbles does not decrease, which makes it possible to have a high voltage semiconductor device To achieve the desired breakdown voltage, the semiconductor spacers can at any location between the die or between an electrode and the die inserted if the only purpose is adjustment is the thermal expansion. However, when it comes to improving the breakdown voltage the structure explained above is to be used.

Bei diesem Halbleiter-Abstandsstücke verwendenden Ausführungsbeispiel läßt sich die Beziehung zwischen der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit und der des Glasüberzugs 35 durch die Ungleichung A 1 1 2t2 (oc1t1+ +#4t4) S dz(TH - TA)0C3(t1 + t2 + t ) wiedergeben, worin TH, TA, #1, #2, #3, t1und t2 die gleichchen Faktoren wiein der weiter oben angegebenen Ungleichen Faktorenwie in der weiter oben angegebenen Ungleichung bedeuten, #4 der Wärmeausdehnungskoeffizient der Abstandsstücke und t4 die Gesamtdicke der Abstandsstücke ist. In this embodiment using semiconductor spacers the relationship between the thermal expansion of the rectifier unit and the of the glass coating 35 by the inequality A 1 1 2t2 (oc1t1 + + # 4t4) S dz (TH - TA) 0C3 (t1 + t2 + t), where TH, TA, # 1, # 2, # 3, t1 and t2 are the same factors as in the above. Inequality of factors as in the above Inequality, # 4 is the coefficient of thermal expansion of the spacers and t4 is the total thickness of the spacers.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann man so vorgehen, daß die Abstandsstücke gleichzeitig als wenigstens eine der Elektroden fungieren. Dabei ist es aus dem schon genannten Grund erforderlich, daß die gleichzeitig als Abstandsstück wirkende Elektrode die gleiche Querschnittsfläche wie die Halbleiterplättchen aufweist. According to a further embodiment, you can do so proceed, that the spacers act simultaneously as at least one of the electrodes. For the reason already mentioned, it is necessary that the at the same time as Spacer acting electrode has the same cross-sectional area as the semiconductor die having.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 ist die Dicke der Halbleiterpläftchen, Aluminiunlötiateriallagen und Abstandsstücke im Verhältnis zu ihren Querschnittsflächen zur Erleichterung der Darstellung übertrieben gezeichnet. Die Dicke dieser Elemente soll nun unter Bezugnahme auf ein Beispiel der Hochspannungs-Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung näher erläutert werden: Dicke eines einzelnen Halbleiterplättchens, soweit nicht im folgenden anders angegeben ... 230 Zahl der zu einer Lamellierung verbundenen Halbleiterplättchen 000 13 Dicke jeder Aluminiumlötmateriallage, @oweit im folgenden nicht anders angegeben ... 10 Zahl der Aluminiumlötmateriallagen 000 14 Anscheinende Erstarrungstemperatur des Glases (TH) ... 475 °C Raumtemperatur (TA) ... 30 °C Raumtemperatur (TA) 0.0 30 C Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterplättchens (#1)... 3,52 x ?° / C Wärme ausdehnungskoeffizient des Aluminiumlots (#2) ... 25,7 x 10-6/°C Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases (#3) ... 4,0 x10-6/°c Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterabstandsstückes (cC4) -3,52 x 10-6/°C (1) Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wurde die Dicke einer Aluminiumlötmateriallage auf 6,6 /u Justiert. In the embodiments according to FIGS. 1 to 3, the thickness is of semiconductor dies, aluminum solder sheets and spacers in proportion drawn exaggerated to their cross-sectional areas for ease of illustration. The thickness of these elements will now be considered with reference to an example of the high voltage semiconductor device according to the invention are explained in more detail: thickness of a single semiconductor wafer, unless otherwise stated below ... 230 Number of lamellas connected semiconductor die 000 13 thickness of each aluminum soldering material layer, @oweit not otherwise specified below ... 10 Number of aluminum solder material layers 000 14 Apparent solidification temperature of the glass (TH) ... 475 ° C room temperature (TA) ... 30 ° C room temperature (TA) 0.0 30 C coefficient of thermal expansion of the semiconductor wafer (# 1) ... 3.52 x? ° / C Thermal expansion coefficient of the aluminum solder (# 2) ... 25.7 x 10-6 / ° C coefficient of thermal expansion of the glass (# 3) ... 4.0 x10-6 / ° c Thermal expansion coefficient of the semiconductor spacer (cC4) -3.52 x 10-6 / ° C (1) In the embodiment of FIG. 1, the thickness of a layer of aluminum brazing material Adjusted to 6.6 / u.

(2) Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wurde die Dicke eines Halbleiterplättchens auf 488 /u Justiert, und die Zahl der Plättchen mit erhöhter Dicke war 13.(2) In the embodiment of Fig. 2, the thickness of a semiconductor wafer became Adjusted to 488 / u, and the number of platelets with increased thickness was 13.

(3) Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wurde die Dicke der Halbleiterabstandsstücke auf 3,8 mm bemessen, (4) In dem Fall, wo eine der Elektroden gleichzeitig als Halbleiterabstandsstllck fungierte, wurde die Dicke eines solchen Abstandsstückes mit 3,34 mm bemessen Unter diesen Bedingungen wurde festgestellt, daß Druckbelastung auf die Gleichrichtereinheit und Zugbelastung auf den Glasüberzug wirkt.(3) In the embodiment of Fig. 3, the thickness of the semiconductor spacers became dimensioned to 3.8 mm, (4) In the case where one of the electrodes doubles as a semiconductor spacer functioned, the thickness of such a spacer was measured to be 3.34 mm Under these conditions it was found that compressive stress was exerted on the rectifier unit and tensile stress acts on the glass coating.

Fig. 4 zeigt eine integrierte Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit einer-Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Hochspannungs-Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung. Fig. 4 shows an integrated high-voltage semiconductor arrangement with a plurality of high voltage semiconductor devices electrically connected in series according to the invention.

In dieser Figur umfassen die Hochspannungs-Halbleiteranordnungen 41a, 41b und 41c Gleichrichtereinheiten, die mit Glas überzogen sind, und jede davon bildet eine der gleichen Einheiten, wie sie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt sind. Die Anschlußdrähte 42a und 42b werden daran angebracht, um sie elektrisch in Reihe zu schalten, während äußere Anschlußdrähte 43a und 43b mit den Hochspannungs-Halbleiteranordnungen 41a und 41c verbunden werden, worauf Epoxyharz oder Glas 44 auf die gesamte inheit zwecks Integrationseinformung aufgebracht wird. Jede Hochspannungs-Halbleiteranordnung ist einer Beanspruchung aufgrund der Wärmedehnung während des Einformungsvorganges unterworfen, wird jedoch durch den Glasüberzug gegen Durchschläge oder Bruch geschützt. In this figure, the high voltage semiconductor devices comprise 41a, 41b and 41c rectifier units covered with glass and each of them forms one of the same units as shown in FIGS. The lead wires 42a and 42b are attached thereto to make them electrically in series to switch, while external leads 43a and 43b with the high-voltage semiconductor devices 41a and 41c are joined, after which epoxy resin or glass 44 on the entire unit is applied for the purpose of integration molding. Any high voltage semiconductor device is a stress due to thermal expansion during the molding process subject, but is protected against punctures or breakage by the glass coating.

Claims (2)

Patentansprüche Claims C Ic=j Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit einer Gleich richtereinheit aus einem Paar von Elektroden, einer Mehrzahl von zwischen den Elektroden in Form einer zylindrischen Lamellierung eingefügten Halbleiterplättchen und einer Mehrzahl von Lötmateriallagen zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Halbleiterplättchen untereinander und einer schützenden Glasschicht, die die Umfangsfläche der Gleichrichtereinheit über die gesamte Länge der Lamellierung von einer Elektrode zur anderen bedeckt, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Betrag der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit gleich dem oder geringer als der der schützenden Glasschicht (15; 25; 35) gemacht ist, indem die Dicke jeder der die Elektroden (zO Bo 14a, 14b) und Halbleiterplättchen (z. 3. 11a ...) verbindenden Lötmateriallagen (z Bo 12a ...) oder die Dicke wenigstens eines die zylindrische Lamellierung bildenden Halbleiterplättchens (z 3. 21a) reguliert oder in der Lamellierung wenigstens ein leitendes Abstandsstück (z Bo 36a) mit angenähert dem gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie dem der Lamellierung aus Halbleiterplättchen (31a, 31b ... 31n) eingefügt ist oder wenigstens eine Elektrode angenähert den gleichen Wärmedehnungskoeffizienten und die gleiche Querschnit'tsfläche wie die Halbleiterplättchen aufweist. C Ic = j high-voltage semiconductor device with a rectifier unit of a pair of electrodes, a plurality of between the electrodes in the form a cylindrical lamination inserted semiconductor wafers and a plurality of solder material layers for the electrical and mechanical connection of the semiconductor wafers between each other and a protective glass layer covering the peripheral surface of the rectifier unit covered over the entire length of the lamination from one electrode to the other, as a result, that the amount of thermal expansion of the rectifier unit made equal to or less than that of the protective glass layer (15; 25; 35) is by changing the thickness of each of the electrodes (zO Bo 14a, 14b) and die (e.g. 3. 11a ...) connecting solder material layers (e.g. Bo 12a ...) or the thickness at least a semiconductor wafer (z 3. 21a) forming the cylindrical lamination or at least one conductive spacer (e.g. Bo 36a) in the lamination approximated the same coefficient of thermal expansion as that of the lamination made from semiconductor wafers (31a, 31b ... 31n) is inserted or at least one electrode approximates the same Thermal expansion coefficient and the same cross-sectional area as the semiconductor wafers having. 2. Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit wenigstens einem in der Lamellierung eingefügten leitenden Abstandsstück mit angenähert dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie dem der Lamellierung aus Halbleiterplättchen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abstandsstücke (36a, 36b) zwischen der Lamellierung der Halbleiterplättchen (31a, 31b ... 31n) und den an deren Enden angebrachten Elektroden (34a, 34b) mit diesen elektrisch und mechanisch fest verbunden sind und die gleiche Querschnittsfläche wie die Halbleiterplättchen aufweisen. 2. High voltage semiconductor device with at least one in the Lamination inserted conductive spacer with approximately the same coefficient of thermal expansion like that of the lamination of semiconductor wafers, thereby g e k It is noted that the spacers (36a, 36b) between the lamination the semiconductor wafers (31a, 31b ... 31n) and the electrodes attached to the ends thereof (34a, 34b) are firmly connected electrically and mechanically to these and the same Have cross-sectional area as the semiconductor wafer. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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