DE2711776A1

DE2711776A1 - Leistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2711776A1
Application number: DE19772711776
Authority: DE
Inventors: Pavel Kafunek; Jiri Kovar; Jindrich Kratina; Michal Dipl Ing Pellant; Oldrich Dipl Ing Pokorny; Pavel Dipl Ing Reichel; Jaroslav Zuna
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1976-03-18
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1977-09-29
Also published as: SE7702467L; DD129256A1; CS182611B1; US4129881A

Description

Leistungshalbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere mit Verdampfungs- oder FlUssigkeitszwangskühlung.

Halbleiterbauelemente für hohe Leistungen enthalten üblicherweise ein aus einem Halbleiterplättchen, beispielsweise Siliziumplättchen, und mindestens einer Versteifungs-Unterlagescheibe, beispielsweise aus Wolfram oder Molybdän, bestehendes Halbleitersystem. Dieses Halbleitersystem ist zwischen zwei dem elektrischen Stromanschluß dienenden Gliedern, den sogenannten Anschlußelektroden, angeordnet.

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Das Halbleitersystem kann an diese Anschlußelektroden angelötet sein oder mit ihnen durch Anpressen in Kontakt gehalten werden.

Wenn das Halbleitersystem an die Anschlußelektroden mit Weichlot angelötet ist, entstehen im Halbleiterplättchen Schubbeanspruchungen, und wenn das Halbleitersystem mit Hartlot angelötet ist, entsteht eine Spannung, welche zum Bruch des spröden Siliziumplättchens führen kann. Wenn das Halbleiterplättchen oder das Halbleitersystem mit den Anschlußelektroden durch Anpressen in Kontakt gehalten wird, müssen üblicherweise zum Zusammenpressen massive Konstruktionen verwendet werden; denn zur Begrenzung des thermischen und elektrischen Widerstandes der Verbindung zwischen KUh körper, Anschlußelektroden und Siliziumplättchen oder Halbleitersystem ist eine verhältnismäßig große Anpreßkraft notwendig.

Es besteht hier ebenfalls das Problem unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Plättchens und der metallischen Kühlkörper, welches durch Anwendung starker Versteifungs-Unterlagsscheiben, beispielsweise aus Molybdän, Wolfram, einer WAg-Legierung u. ä. gelöst wird, was jedoch weitere, die schnelle Wärmeübertragung aus dem Halbleiterplättchen verschlechternde zusätzliche Impedanz bedeutet.

Vor nicht langer Zeit wurden Leistungshalbleiterbauelemente entwickelt, in welchen das Plättchen aus Halbleitermaterial mit den Anschlußelektroden oder den Kühlkörpern durch Schichten eines flüssigen Metalls, beispielsweise Quecksilber, eutektische Natrium-Kalium-Legierung NaK-77 u. ä. in Kontakt ist. Das Kühlen eines derartig hergestellten Halbleiterbauelementes wird beispielsweise

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durch Zwangsumlauf des flüssigen Metalls durchgeführt. Bei dieser Anordnung erübrigen sich die bis jetzt gebräuchlichen bedeutenden Anpreßkräfte, die Versteifungs-Unterlagsscheibe des Halbleiterplättchens entfällt, und es wird eine minimale Anzahl von Verbindungen und Hindernissen zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Kühlmedium erzielt. Die Konstruktion eines derartigen Bauelementes ist nichtsdestoweniger verhältnismäßig kompliziert und aufwendig, es wird eine größere Menge von flüssigem Metall benötigt, und noch dazu ist die Kühlung durch Zwangsumlauf eines flüssigen Metalls weniger wirkungsvoll als bei einigen bekannten Kühlarten, beispielsweise bei der Wärmerohrtechnik.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Leistungshalbleiterbauelementes, welches zwischen den Anschlußelektroden und dem Halbleiterplättchen den kleinstmöglichen elektrischen Widerstand und gleichzeitig zwischen der Wärmequelle im Halbleiterplättchen und dem Kühlkörper einen minimalen thermischen Widerstand aufweist und eine sehr geringe mechanische Beanspruchung des Halbleiterplättchens gewährleistet.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Leistungshalbleiterbauelement, bestehend aus einem Plättchen aus Halbleitermaterial mit mindestens einem inneren PN-Übergang, welches sich zwischen zwei Elektroden befindet, mit denen es in thermisch und elektrisch leitendem Kontakt mittels einer während des Betriebes des Bauelementes in flüssigem Zustand befindlichen Metallschicht ist und die gegenseitig mechanisch durch ein elektrisch isolierendes Glied verbunden sind, mit dem Kennzeichen, daß die Elektroden auf der am Plättchen aus Halbleitermaterial anliegenden Fläche mit kreisförmigen Rillen versehen sind, auf der entgegenge-

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setzten Seite beider Elektroden Hohlräume ausgebildet sind und beide Elektroden mit äußeren Vorsprüngen am Umfang versehen sind, die mechanisch mit einer Metallarmatur des elektrisch isolierenden Gliedes bzw. gegenseitig mittels eines Kunststoffgliedes verbunden sind.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die von einer Schicht flüssigen Metalls gebildeten thermisch und elektrisch leitenden Verbindungen vereinfachen in bedeutendem Maße die Zusammenstellung des Leistungshalbleiterbauelementes und verbessern dessen Eigenschaften. Die flüssige Verbindung des Halbleiterplättchens bzw. -systems mit den Anschlußelektroden des Bauelementes hat eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und beansprucht das spröde Halbleiterplattchen, beispielsweise aus Silizium mechanisch nicht. Sie ermöglicht das Kühlen von Halbleiterbauelementen mit großem Durchmesser, ohne daß Verbindungen mit hoher Anpreßkraft gebildet werden müssen. Dieser Vorteil tritt besonders dann klar hervor, wenn es nötig ist, die Elektrodenwände des Bauelementes so dünn wie möglich zu gestalten, damit der Wärmewiderstand im stationären Zustand herabgesetzt und die transiente Reaktion verbessert werden kann. Das Resultat eines herabgesetzten Wärmewiderstandes in unmittelbarer Nähe des Körpers aus Halbleitermaterial ist eine Wärmeübertragung in das Umgebungsmedium mit viel höherer Wirkung, als dies bei konventionellen Kühlkörpern der Fall ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelementes dargestellt; darin zeigen:

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Fig. 1 den Schnitt durch einen Thyristor mit der sich in der Mitte befindenden Elektrode;

Fig. 2 eine Abwandlung des Steuerelektrodenanschlusses nach Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt durch eine Diode mit massiven,

für Flüssigkeitskühlung angepaßten Elektroden;

Fig. 4 den Schnitt durch eine Diode in einem Kunststoffgehäuse mit dünnen, für die Verdampfungskühlung geeigneten Elektroden; und

Fig. 5 den Schnitt durch eine Leistungsdiode, welche

eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 4 ist.

Das Halbleiterplättchen 1 aus Silizium in Fig. 1 hat zwei gegenüberliegende planare Oberflächen, die mit Vorzug parallel sind und mit einem dünnen metallischen Überzug, beispielsweise aus Nickel, versehen sind. Das Halbleiterplättchen enthält Schichten mit verschiedenem Leitungstyp, welche untereinander großflächige gleichrichtende PN-Ubergänge bilden, und ist weiter mit einer Steuerelektrode versehen. Der äußere Umfang bzw. die Kante des Siliziumplättchens ist abgefast und mit einem (nicht dargestellten) Schutzüberzug eines geeigneten Isolationsmaterials, beispielsweise Silikonkautschuk bedeckt. Das Halbleiterplättchen 1 ist mit seiner unteren planaren Oberfläche mit der aus Molybdän oder Wolfram bestehenden Versteifungsscheibe 1', beispielsweise durch Anlöten mit Hartlot, verbunden.

Mit den zur elektrischen Stromzuführung zu dem Halbleiterplättchen 1 dienenden Elektroden 2, 3 ist dieses Plättchen in thermisch und elektrisch leitendem Kontakt

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mittels einer Metallschicht 4, welche sich während des Betriebes des Halbleiterbauelementes in flüssigem Zustand befindet; sonst kann diese Schicht entweder in flüssigem oder festem Zustand sein. Das Metall oder die Metalle, welche für diese flüssige Grenzschicht benutzt werden, müssen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit eine wirksame Wäremübertragung aus dem Siliziumplättchen in die Elektroden vor sich geht, und müssen ebenfalls eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen; denn bei denelektrischen Stromzuführungen zum Bauelement handelt es sich hinsichtlich des Siliziumplättchens um äußere. Die flüssige Grenzschicht können eutektische Legierungen (mit niedrigem Schmelzpunkt) verschiedener Metallkombinationen oder ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt bilden. Das Metall oder die Metallegierung muß ebenfalls ein hohes metallurgisches Benetzungsvermögen haben, damit eine Anfangsadhäsion des Metalls an den Oberflächen der Elektroden und des Siliziumplättchens gebildet wird und dadurch genügende, zur Erhaltung des flüssigen Metalls in der Grenzschicht dienende Kapillarkräfte entwickelt werden. Das gewählte flüssige Metall oder die flüssige Metallegierung muß ebenfalls mit dem das Siliziumplättchen bzw. die Versteifungsscheibe bedeckenden Material und mit dem Metallmaterial der Elektroden kompatibel sein. Als Beispiel eines für diese Grenzschicht geeigneten Materials sei die Legierung einer Kombination von Indium, Zinn, Blei, Wismut und Kadmium angeführt. Die Dicke der von der Schicht 4 gebildeten Grenzschicht ist mit Vorzug kleiner als 0,03 πιπί.

Die Elektroden 2, J> sind an der am Halbleiterplättchen anliegenden Fläche mit kreisförmigen Rillen 12 versehen. Die Kreisringfläche zwischen zwei aneinander anliegenden äußeren Rillen ist mit Vorzug auf einem um 0,025 bis 0,05 mm

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.5.

niedrigeren Niveau als die am Halbleiterplättchen anliegende Stirnfläche der Elektroden 2 bzw. 3 gelegen. Die Breite und die Tiefe der eigentlichen Rillen 12 liegen dabei mit Vorzug im Bereich von 0,2 bis 3 »3 """. Der Raum zwischen den Kontaktflächen des Plättchens 1 aus Halbleitermaterial und der Elektrode 2 bzw. 3 ist so nach der Größe der normalen Entfernung beider Flächen in den Bereich der überwiegenden Adhäsion und in den Bereich der Speicher des flüssigen Metalls aufgeteilt. Die kreisförmigen Rillen 12 bilden Metallspeicher, aus denen das Metall unter Einfluß von kapillaren Kräften in den Bereich der überwiegenden Adhäsion eingesaugt wird. Die Metallschicht 4 wird in den Raum zwischen dem Plättchen 1 und den Elektroden 2 bzw. 3 mit Vorzug in Form einer Folie eingelegt, oder sie kann in flüssigem Zustand aufgetragen und mit Hilfe beispielsweise eines Spachtels über die ganze gewünschte Fläche verteilt werden.

Beide Elektroden 2, 3 sind auf der entgegengesetzten Seite mit Kühlräume bildenden Hohlräumen versehen. Die in Fig. 1 abgebildete Thyristoreinheit ist nach einer Verdampfungsmethode gekühlt, bei welcherdie Wärmeübertragung aus dem die Wärmequelle bildenden Siliziumplättchen mittels Siedens und Kondensierens des in den Hohlräumen 5 der Elektroden 2, 3 befindlichen Kühlmittels erfolgt. Der am Halbleiterplättchen anliegende Teil der Hohlräume 5 bildet dabei den Verdampfer der Bauelernente-Kühlkörper. Zum Erzielen einer erhöhten Abdampfung des Kühlmittels ist der Verdampfungsteil der Kühlkörper, welche einstückig mit den Elektroden 2 bzw. 3 sein können, mit einem Mittel zur Vergrößerung der Verdampfungsfläche versehen. Dieses Mittel wird in Fig. 1 von der Struktur 18 einer porösen Metallschicht gebildet. Die Struktur 18 kann aus Nickel mit einer Porosität im Bereich von 60 bis 95 Prozent sein und ist gesintert oder auf eine andere Art an die Verdampfungsoberfläche der Hohlräume 5 angeschlossen.

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Die Elektroden 2, 3 sind am Umfang mit äußeren Vorsprüngen 6 versehen, die mechanisch beispielsweise durch Argonschutzgasschweißung mit der Metallarmatur 7 des Isoliergliedes 8 aus Keramik verbunden sind. An die Elektroden 2, 3, mit Vorzug aus Kupfer, sind biegsame elektrische Stromanschlüsse 9 beispielsweise in Form von Seilen angeschlossen. Der Vorsprung an der unteren Elektrode 3 stützt den zur Zentrierungdes Halbleiterplättchens 1 bestimmten Zentrierring 20 ab.

An die Steuerelektrode des Siliziumplättchens 1 wird durch eine Feder der Steuerstromanschluß 11 angedrückt, dessen eines Ende durch die Führung 10 aus elektrisch isolierendem Material führt und dessen anderes Ende in dem durch das Isolierglied 8 aus Keramik führende Röhrchen 11' eingeklemmt ist. Die obere Elektrode 2 ist dabei mit einer konzentrisch zur Steuerelektrode des Siliziumplättchens gelegenen Rille für das Dichtungsmittel 1J> der Metallschicht versehen. Das Dichtungsmittel kann von einem O-Ring aus Silikonkautschuk gebildet sein. In alternativer Ausführung kann dieses Dichtungsmittel direkt von der Führung 10 des Steuerelektrodenanschlusses 11 gebildet sein.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung der Ausführung des Steuerelektrodenanschlusses 11 des Bauelementes nach Fig. abgebildet. Der Endteil dieses an der Steuerelektrode des Plättchens anliegenden Anschlusses wird von einer Feder 14 gebildet, so daß der Aufbau des Anschlusses yereinfacht und in seinen Abmessungen verkleinert wird. Zwischen den Elektroden 2 bzw. 3 des Bauelementes befindet sich nur das Plättchen 1 aus Halbleitermaterial ohne Versteifungs-Unterlagsscheibe.

In Fig. 3 ist der Schnitt durch eine Leistungsdiode mit massiven, der Flüssigkeits-Zwangskühlung angepaßten Elektroden abgebildet. Die einzelnen Teile dieser Diode

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sind mit gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Teile in Fig. 1 bezeichnet. Das Halbleiterplättchen 1 befindet sich zwischen den Elektroden 2, 3 ohne Versteifungsscheibe aus Molybdän oder Wolfram, wodurch ein thermischer Vorgang ihrer Verbindung entfällt. Die massiven Elektroden 2, 3 stellen eine Wärmekapazität dar, die imstande ist, thermische Spitzenimpulse zu absorbieren, welche während des Betriebes des Halbleiterbauelementes entstehen können.

In Fig. 4 ist im Schnitt eine in einem Kunststoffgehäuse untergebrachte Leistungsdiode abgebildet. Das SiIiziumplättchen 1 befindet sich wiederum zwischen den Elektroden 2, 3» mit denen es mittels der während des Betriebes des Halbleiterbauelementes in flüssigem Zustand befindlichen Metallschicht 4 verbunden ist. In beiden Elektroden 2, 3 sind Hohlräume, welche wenigstens teilweise mit einem Kühlmittel angefüllt sind, welches währenddes Betriebes des Bauelementes verdampft. Um die Abdampfungsoberfläche zu vergrößern, sind die Hohlräume der Elektroden 2, 3 mit Stiften bzw. Rippen 18, in alternativer Ausführung mit Strukturen einer porösen Metallschicht, beispielsweise Nickel, versehen. Die Elektroden 2, 3 sind mit äußeren Vorsprüngen 6 am Umfang versehen, die gegenseitig mit einem Kunststoffglied 15 verbunden sind. Zwischen den Vorsprüngen ist ein Distanzring 16 aus elektrischem Isoliermaterial angebracht, welcher mit O-Ringen 17, beispielsweise aus Silikonkautschuk, abgedichtet ist.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung der Leistungsdiode nach Fig. 4 abgebildet. Anstelle des abgedichteten Distanzringes ist hier der am Siliziumplättchen 1 anliegende Raum zwischen den Elektroden 2, 3 mit einem Dichtungsschutzglied 19, beispielsweise aus SiIkonkautschuk, ausgefüllt.

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Claims

Ansprüche

(IJ Eeistungshalbleiterbauelement, bestehend aus einem Plättchen aus Halbleitermaterial mit mindestens einem inneren PN-Übergang, welches sich zwischen zwei Elektroden befindet, mit denen es in thermisch und elektrisch leitendem Kontakt mittels einer währenddes Betriebes des Bauelementes in flüssigem Zustand befindlichen Metallschicht ist und die gegenseitig mechanisch durch ein elektrisch isolierendes Glied verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3) auf der am Plättchen (1) aus Halbleitermaterial anliegenden Fläche mit kreisförmigen Rillen (12) versehen sind, auf der entgegengesetzten Seite beider Elektroden (2, 3) Hohlräume (5) ausbildet sind und beide Elektroden (2, 3) mit äußeren Vorspriingen (6) am Umfang versehen sind, die mechanisch mit einer Metallarmatur (7) des elektrisch isolierenden Gliedes (8) bzw. gegenseitig mittels eines Kunststoffgliedes (15) verbunden sind.
2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringfläche zwischen den zwei aneinanderllegenden äußeren Rillen (12) auf einem um 0,025 bis 0,05 mm niedrigeren Niveau als die am Plättchen (1) aus Halbleitermaterial anliegende Stirnfläche der Elektrode (2 bzw. 3) ist.
3· Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (12) eine Breite und Tiefe im Bereich von 0,2 bis 3,3 mm haben.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (2, J>) mit einer konzentrisch zur Steuerelektrode des Plättchens (1) aus Halbleitermaterial gelegenen Rille für ein Dichtungsmittel (13) der Metallschicht (4) versehen ist.
5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung (10) eines Steuerelektrodenanschlusses (11) ein Dichtungsmittel der Metallschicht (4) bildet.
6. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (5) der Elektroden (2, J>) einen Verdampfungsteil von Bauelemente-Kühlkörpern bilden.
7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsteil mit einem Mittel zum Vergrößern der Abdampfungsoberfläche versehen ist.
8. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Vergrößern der Abdampfungsoberfläche Rippen oder Stifte bzw. Strukturen (l8) aus einer porösen Metallschicht dienen.

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