DE2748567A1

DE2748567A1 - Hochleistung-halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2748567A1
Application number: DE19772748567
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Shikano; Yoshiyuki Sugawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2748567C2; JPS5354971A; JPS5537103B2; US4150394A

Description

Hochleistung-Halbleitervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Halbleiterelementen und -vorrichtungen und betrifft insbesondere eine Hochleistung-Halbleitervorrichtung mit Mitteln zur Verhinderung eines Sekundärunfalls aufgrund einer Störung in der Vorrichtung.

In jüngster Zeit hat sich die Leistung von Halbleitervorrichtungen, wie Halbleiterdioden, -thyristoren usw., immer mehr erhöht, und es wurden bereits verschiedene Schaltkreise für diese Hochleistung-Halbleitervorrichtungen entwickelt. Wenn jedoch bei einer Störung oder einem Versagen solcher Hochleistung-Halbleitervorrichtungen ein übermäßiger Fehleroder Erdschlußstrom durch eine solche Vorrichtung fließt, bo erzeugt dieser Strom einen elektrischen Lichtbogen an der auegefallenen oder schadhaften Halbleitervorrichtung, wodurch sich die Gefahr dafür erhöht, daß eine neben der schadhaften Vorrichtung befindliche Schaltung durchschlägt oder -bricht. Infolgedessen war es bisher üblich, außerhalb solcher Hochleistung-Halbleitervorrichtungen eine schützende (Schmelz-)Sicherung zur Unterbrechung des übermäßigen Fehlerstroms anzuordnen. Da die Stromstärke im Normalbetrieb bereits über 1000 A liegen kann, muß die Sicherung eine erhöhte Strom-

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belastbarkeit besitzen· Wird jedoch die Strombelastbarkeit der Sicherung erhöht, so wird ihre Uhterbrechungs- oder Abschaltzeit entsprechend lang, so daß in der Halbleitervorrichtung, an welcher der Lichtbogen entsteht, elektrische Energie in der Größenordnung von einigen hundert Kilowattsekunden erzeugt wird, bevor die Sicherung nach dem Ausfall der Halbleitervorrichtung durchschmilzt bzw. unterbricht.

Beim Auftreten einer Störung etwa im Mittelteil des betreffenden Halbleitersubstrats wird der entstehende Fehleroder Erdschlußstrom von der zugeordneten Halbleitervorrichtung durch die mit dem Substrat verbundenen Elektroden nach außen abgeleitet. Beim Auftreten einer Störung im Außenrandbereich des Halbleitersubstrats konzentriert sich dieser Fehlerstrom im Störungsbereich, bis in diesem eine sehr hohe Stromdichte vorliegt. Dies führt in diesem Störungsbereich zur Erzeugung einer so großen elektrischen Energiemenge, daß das Halbleitersubstrat oder ein metallener Teil, etwa eine einen Teil einer zugeordneten Halbleitervorrichtung bildende Membran, durchschmilzt. Hierbei wird ein elektrischer Lichtbogen hoher Temperatur erzeugt, der sich von der Halbleitervorrichtung nach außen fortsetzt. Wenn hierbei an der Außenseite neben der durchschlagenden Halbleitervorrichtung ein elektrisch geladener Abschnitt vorhanden ist, kann der Lichtbogen diese Vorrichtung zu diesem aufgeladenen Abschnitt kurzschließen, was zu schweren Unfällen, etwa einem unerwarteten Brand führen kann. Andererseits können sich die in der Halbleitervorrichtung entwickelten, hohe Temperatur besitzenden Gase plötzlich ausdehnen, was zu der Gefahr führt, daß ein Gehäuse dieser Vorrichtung an seiner die geringste Festigkeit besitzenden Stelle explodiert.

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Bei der Herstellung von Hochleistung-Halbleitervorrichtungen besteht daher, wie erwähnt, stets die Befürchtung, daß eine bei solchen Vorrichtungen auftretende Störung sehr schwere Unfälle zur Folge haben könnte.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten und zweckmäßigen Halbleitervorrichtung der genannten Art, bei welcher die vorstehend geschilderten Gefahrenzustände, die bei Hochleistung-Halbleitervorrichtungen auftreten können, daran gehindert werden, eine Störung oder Zerstörung eines zugeordneten Schaltkreises hervorzurufen.

Diese Halbleitervorrichtung soll zudem auch nicht mit der Gefahrenmöglichkeit behaftet sein, daß ein über diese Vorrichtung fließender übermäßiger Fehler- oder Erdschlußstrom eine Explosion herbeiführt.

Die genannte Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch ein Halbleiterelement mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, durch ein elektrisch isolierendes Element in Form eines Hohlzylinders mit zwei offenen Enden, wobei das Halbleiterelement in dieses Isolierelement eingesetzt ist, durch zwei mit je einer Hauptfläche des Halbleiterelements in ohmschem Kontakt stehende Elektroden, die jeweils über einen dünnen Metallblechteil das betreffende Ende des Hohlzylinders verschließen, so daß im Isolierelement durch den Metallblechteil und das Halbleiterelement je ein Ringraum im Isolierelement gebildet ist, durch je ein in jedem Ringraum angeordnetes, hoch wärmebeständiges und elektrisch isolierendes Element und durch je eine elektrisch isolierende Klebmittelschicht, die jeweils an einer dem Halbleiterelement zuge-

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wandten Fläche des dünnen Blechteils angebracht sind und das hoch wärmebeständige Isolierelement einschließen.

Ein vorteilhaftes Merkmal besteht dabei darin, daß das hoch wärmebeständige, elektrisch isolierende Element aus einem Isoliermaterial hergestellt ist, das eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als der Werkstoff der isolierenden Klebmittelschicht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die isolierende Klebmittelschicht aus Silikongummi besteht und daß das hoch wärmebeständige Isolierelement aus einem Keramikmaterial hergestellt ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine planparallele bzw. Planar-Haibleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten AusfUhrungsform der Erfindung.

Die in Flg. 1 dargestellte planparallele bzw. Planar-Halb]eitervorrichtuhg gemäß der Erfindung umfaßt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Halbleiterelement mit einem kreisförmigen Halbleiter-Substrat 10a, das mindestens einen nicht dargestellten pn-übergang aufweist, einer mit der einen, d.h. gemäß Fig. 1 oberen Hauptfläche des Substrats 10a z.B. durch Vakuumaufdampfen in ohmschein Kontakt stehenden Metall-Elektrode 10b, einer z.B. aus Molybdän bestehenden und an der anderen Hauptfläche des Substrats 10a befestigten Tragplatte 10c sowie einem Oberflächenüberzug 10d zum Schütze des an der Oberfläche

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des Substrats 10a freiliegenden Abschnitts des nicht dargestellten pn-übergangs. Zwei kreisförmige Elektroden 12a und 12b stehen mit der Elektrode 10b bzw. der Tragplatte 10c in Berührung. Die beiden Elektroden 12a und 12b können vorteilhaft aus Kupfer bestehen.

Ein elektrisch isolierendes Element 14 in Form eines zwei offene Enden aufweisenden Hohlzylinders aus einem Keramikmaterial o. dgl. umschließt das Halbleiterelement 10a, die Tragplatte 10c und die Elektroden 12a, 12b unter elektrischer Isolierung der Elektroden auf noch zu beschreibende Weise. Das Isolierelement 14 weist einen ringförmigen Schweißflansch 16 auf, der am einen der beiden offenen Enden, bei der dargestellten Ausführungsform am unteren offenen Ende mit Hilfe eines Schweißrings 20 hart angelötet ist, der seinerseits zwei übereinander liegende Lagen aufweist, zwischen welche der Flansch 16 eingefügt ist. Das andere bzw. obere offene Ende des Isolierelements 14 ist mit der oberen kreisförmigen Elektrode 12a über eine Ringmembran I8a elastisch verbunden, die aus einem dünnen Metallblechstück besteht. Das untere offene Ende des Isolierelements 14 ist dagegen mit der unteren Elektrode 12b über eine Ringmembran I8b elastisch verbunden, die durch Hartlöten mit ihrem Außenumfang am Schweißring 20 befestigt und mit dem Innenumfang auf passende Weise an der Elektrode 12b angebracht ist. Der Schweißring 20 ist an seinem Außenumfang durch Lichtbogenschweißung mit dem Schweißflansch 16 verbunden.

Durch die Elektroden 12a, 12b, das zylindrische Isolierelement 14, den Schweißflansch 16, die Membranen I8a, i8b und den Schweißring 20 wird somit ein luftdicht gekapseltes Gehäuse zur Aufnahme des Halbleiterelements 10 gebildet. Das Halbleiterelement 10 steht mit seiner Umfangsflache praktisch

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in Berührung mit der Innenfläche des Isolierelements 14, so daß durch das Isolierelement 14 und die zu beiden Seiten desselben vorgesehenen Membranen 18a bzw. 18b je ein Raum gebildet wird.

In jedem der so/estgelegten Räume ist eine elektrisch isolierende Klebmittelschicht 22a bzw. 22b jeweils an der dem Halbleiterelement 10 zugewandten Fläche der betreffenden Membran I8a bzw, 18b angebracht. Diese, jeweils ringförmigen Klebmittel' bzw. Isolierschichten 22a, 22b stehen am Außenumfang mit der Innenumfangswand 14a des zylindrischen Isolierelements 14 und am Innenumfang mit der Umfangsflache 12c der betreffenden Elektrode 12a bzw. 12b in Berührung. Die Isolierschichten 22a, 22b bestehen aus einem Silikongummi, weil ein solches Material eine gute Adhäsion gegenüber Metallen besitzt und einfach mit den Elektroden 12a, 12b verklebt werden kann. Die aus Silikongummi bestehenden Isolierschichten 22a, 22b besitzen jeweils eine Dicke, die von der Strombelastbarkeit des betreffenden Halbleiterelements abhängt. Wenn das Halbleiterdement 10 beispielsweise eine Strombelastbarkelt von 1000 A besitzt, liegt die Dicke der Klebmittel-Isolierschichten 22a, 22b vorzugsweise in der Größenordnung von mehreren Millimetern.

Aus einem geeigneten Keramikmaterial bestehende, hoch wärmebeständige, elektrisch isolierende Ringe 24a und 24b sind gemäß Fig. 1 in die Silikongummi-Isolierschichten 22a bzw. 22b eingelassen. Die Dicke dieser Ringe hängt ebenfalls von der Strombelastbarkeit des betreffenden Halbleiterelements ab. Unter den oben angenommenen Bedingungen liegt die Dicke der Ringe 24a, 24b in der Praxis vorzugsweise bei 0,5 - 1 nun.

Im folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung der Konstruktion gemäß Fig. 1 beispielhaft beschrieben. Zunächst wird die

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Membran 18a mit der Innenumfangskante am Außenumfang 12c der Elektrode 12a und sodann mit dem Außenumfnngsbereich am offenen oberen Ende des Isolierelements 14 angebracht, so daß diese drei Bauteile zu einem einstückigen Gebilde zusammengesetzt sind. Hierdurch wird eine Ringnut mit einer durch die Membran 18a gebildeten Sohle und durch die Innenfläche 12c der Elektrode 12a sowie die Innenfläche 14a des Isolierelements 14 gebildeten, einander gegenüberstehenden Wänden bzw. Flanken festgelegt.

Anschließend wird eine geeignete Menge eines bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Silikongummis in die so gebildete Ringnut eingefüllt, wonach ein Keramikring in den Silikongummi hineingedrückt wird, bis letzterer zu der den eingebetteten Keramikring 24a enthaltenden Silikongummi-Isolierschicht 22a vulkanisiert ist.

Sodann wird die Membran 1,8b mit der Innenumfangskante am Außenumfang 12c der Elektrode 12b angebracht und hierauf am Außenumfang vorübergehend mit einer nicht dargestellten Schablone oder Einspannvorrichtung versehen, die/nstelle der Innenfläche des Isolierelements 14 und des Schweißflansches 16 mit dem Schweißring 20 eine Ringnut festlegt. Auf die vorstehend in Verbindung mit der Schicht 22a und dem Keramikring 24a beschriebene Weise wird dann ein ähnlicher Silikongummi in die so gebildete Nut eingegossen, und ein Keramikring wird in diese Masse hineingedrückt, urn dadurch die Silikongummi-Isolierschicht 22b mit dem eingelassenen Keramikring 24b zu bilden.

Im Anschluß hieran wird das getrennt angefertigte Halbleiterelement 10 nach dem Abnehmen der Schablone zwischen die Elektroden 12a, 12b eingesetzt, worauf der Schweißflansch 16 durch Lichtbogenschweißung mit dem Schweißring 20 verbunden wird. Das so hergestellte Gebilde ist in Fig. 1 dargestellt.

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Bei der in Pig. 2, in weleher den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind, dargestellten abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode 12b gemäß Fig. 1 durch eine Membran 18c ersetzt, die einen Utefangsabschnitt mit einer Form entsprechend der For» des betreffenden Abschnitts der Membran 18b (Fig. 1) und einen davon ausgehenden , flachen zentralen Abschnitt aufweist. In jeder anderen Hinsicht entspricht die Anordnung von Fig. 2 derjenigen nach Fig. 1.

Bei den Anordnungen nach Fig. 1 oder 2 sei angenommen, daß das Halbleiterelement 10 in seinem Außenrandbereich einen Fehler oder Schaden aufweist und daß sich im Betrieb ein Fehler- oder Erdsehlußstrom im schadhaften Bereich des Elements 10 konzentriert, bis dieser Bereich eine Temperatur in der Größenordnung von über IQOO⁰C erreicht. Eine derartig hohe Temperatur führt zu einem teilweisen Schmelzen des Außenrandabschhitts des Halbleitereleaents 10, z.B. des Siliziumsubstrats 10a und/oder der OberfInnenbeschichtung 1Od, wodurch ein elektrischer Lichtbogen hoher Temperatur entsteht. Wenn sich dieser Lichtbogen auf die Oberfläche einer oder beider Silikongunmischlchten 22a, 22b konzentriert, wird zunächst die betreffende Schicht verdampft, wodurch die Temperatur des heißen Lichtbogens verringert wird. Auch wenn sich der Lichtbogen so stark auf die Silikongummischicht 22a und 'oder 22b konzentriert, daß deren Material lokal verdampft, wird der Lichtbogen durch den einen Keramikring oder beide Keramikringe 24a, 24b mit hoher Wärmebeständigkeit vollkommen abgefangen oder abgeschirmt. Hierdurch wird ein unmittelbares Auftreffen des heißen Lichtbogens auf eine Membran oder beide Membranen 18a, I8b unter Durchbrennen derselben sicher verhindert .

Ein ggf. auftretender heißer elektrischer'Lichtbogen wird somit aus der Halbleitervorrichtung nicht nach außen abgeleitet. Infolgedessen wird wirksam verhindert, daß dieser Lichtbogen die Halbleitervorrichtung, in weleher er entstanden ist,

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zu einem elektrisch aufgeladenen Teil einer zugeordneten Vorrichtung kurzschließt, so daß auch keine Brandgefahr bestellt.

Das Isolier- und Abschirmelement besteht zudem unter Bildung einer Doppelschichtkonstruktion sowohl aus den Silikongummischichten 22a, 22b als auch aus den Keramikringen 24a, 24b. Infolgedessen kann dieses Element, über die Wirkung der Silikongummischichten 22a, 22b allein hinaus, Wärme und elektrischen Strom in ausreichendem Maß abschirmen. Bei Halbleitervorrichtungen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art sine n^ ve: i>· ; Ivn'ir'if: I8a, 18 b. c<r Halbleiterelement 10 und dem zylindrischen Isolierelement 14 umrissenen Räume sehr eng, so daß es sich bisher als sehr schwierig erwies, nur durch Anordnung der Silikongummischichten 22a, 22b in diesen engen Räumen dem Halbleiterelement eine ausreichend große thermische und elektrische Abschirmfähigkeit zu verleihen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Maßnahme des Einlassens eines Keramikrings 24a, 24b mit höherer Wärmebeständigkeit als der des Silikongummis der Isolierschichten 22a, 22b in letztere außerordentlich wirksam ist, um dem Halbleiterelement eine hohe thermische und elektrische Abschirmfähigkeit zu verleihen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist also ersichtlich, daß mit der Erfindung eine Halbleitervorrichtung geschaffen wird, die ein hoch wärmebeständiges, elektrisch isolierendes Element und eine elektrisch isolierende Klebmittelschicht aufweist, die zwischen einem von einem hohlzylindrischen, elektrisch isolierenden Element umschlossenen Halbleiterelement und je einem dünnen Me-tallblechelement angeordnet sind, welche das zylindrische Isolierelement zu beiden Seiten des Halbleiterelements mit je einer Elektrode verbinden. Selbst wenn sich hierbei ein Fehler- oder Erdschlußstrom auf den AußenrandbeMch des

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BAD ORIGINAL

Halbleiterelements konzentriert und diesen anschmilzt, wird ein Sekundärunfall, etwa ein Brand, durch die beschriebene Ausbildung sicher verhindert. Insbesondere kann wegen der Anordnung dör Doppelschichtkonstruktion aus dem hoch wärmebeständigen, isolierenden Element und der elektrisch isolierenden Klebmittelschicht die Schutzwirkung gegen Unfälle, speziell Brandunfälle, im Vergleich zu ähnlichen, jedoch nicht mit dem hoch wärmebeständigen Isolierelement versehenen Halbleitervorrichtungen erheblich verbessert werden.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit nur einigen derzeit bevorzugten AusfÜhrüngsformen offenbart ist, sind selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Klebmittelschicht auch aus einem beliebigen anderen, elektrisch isolierenden,klebfähigen Element als Silikongummi bestehen. Ebenso kann das hoch wärmebeständige, elektrisch isolierende Element nicht nur aus Keramikmaterial, sondern auch aus einem beliebigen anderen Isoliermaterial bestehen, solange dieses eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als das isolierende Klebmittel der Schichten 22a, 22b. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist Aluminiumoxid.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Halbleitervorrichtung geschaffen, bei welcher ein Halbleiterelement in einem hohlzylindrischen, elektrisch isolierenden Element angeordnet ist. Die beiden offenen Enden dieses Elements sind jeweils durch eine Elektrode für das Halbleiterelement mittels eines dünnen Metallblechteils verschlossen, so daß zu beiden Seiten des Halbleiterelements je ein Ringraum entsteht. An der

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dem Halbleiteräement zugewandten Fläche des Blechteils Ist eine Silikongummischicht angebracht, in die ein hoch wärmebeständiger Keramikring eingelassen ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Halbleitervorrichtung, insbesondere Hochleistung-Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleiterelement (10) mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, durch ein elektrisch isolierendes Element (14) in Form eines Hohlzylinders mit zwei offenen Enden, wobei das
Halbleiterelement in dieses Isolierelement eingesetzt
ist, durch zwei mit je einer Hauptfläche des Halbleiterelements in ohmschem Kontakt stehende Elektroden (12a, 12b), die jeweils über einen dünnen Metallblechteil (i8a, i8b) das betreffende Ende des Hohlzylinders verschlie3en, so daß im Isolierelement (14) durch den
Metallblechteil und das Halbleiterelement je ein Ringraum im Isolierelement gebildet ist, durch je ein in
jedem Ringraum angeordnetes, hoch wärmebeständiges und elektrisch isolierendes Element (24a, 24b) und durch
je eine elektrisch isolierende Klebmittelschicht
(22a, 22b), die jeweils an einer dem Halbleiterelement zugewandten Fläche des dünnen Blechteils angebracht sind und das hoch wärmebeständige Isolierelement (24a bzw. 24b) einschließen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine der Elektroden aus einem dünnen Metallblechteil (I8c) mit einem Randabschnitt entsprechend dem des einen Metallblechteils (i8b) und einem von diesem ausgehenden, flachen zentralen Abschnitt gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das hoch wärmebeständige, elektrisch isolierende Element aus einem Isoliermaterial hergestellt ist, das eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als der Werkstoff der isolierenden Klebmittelschicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die isolierende Klebmittelschicht aus Silikongummi besteht und daß das hoch wärmebeständige Isolierelement aus einem Keramikmaterial hergestellt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die isolierende Klebmittelschicht aus Silikongummi besteht und daß das hoch wärmebeständige Isolierelement aus Aluminiumoxid hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das hoch wärmebeständige Isolierelement in die isolierende Klebmittelschicht eingelassen bzw. eingebettet ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das hoch wärmebeständige Isolierelernent die Form eines Rings besitzt.

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