DE2748567C2 - Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement, mit einem zwischen zwe Kontaktelektroden angeordneten und von einem Hohlzylinder aus elektrisch isolierendem Material umgebenen Halbleiterelement, wobei die Kontaktelektroden mit dem Hohlzylinder durch ringförmige Metallblechteile verbunden sind, so daß innerhalb des dadurch gebildeten, verschlossenen Gehäuses ein Ringraum vorliegt, und wobei in dem Ringraum ein elektrisch isolierendes, wärmebeständiges Ringelement angeordnet ist.

Aus der US-PS 35 99 057 ist ein Silizium-Gleichrichter mit dem Grundaufbau des Leistungshalbleiterbauelements der eingangs definierten Art bekannt. Diese bekannte Konstruktion eines Siliziumgleichrichters enthält jedoch nur einen einzigen Ringraum, in dem ein elektrisch isolierendes ringförmiges Element angeordnet ist. welches jedoch nicht die Aufgabe hat. die Ausbildung eines Lichtbogens in dem Ringraum zu unterdrücken. Das elektrisch isolierende ringförmige Element dient vielmehr dazu, das Halbleiterelement innerhalb des Hohlzylinders in einer zentrischen Lage zu halten. Das elektrisch isolierende ringförmige EleTient besteht bei dieser bekannten Grundkonstruktion beispielsweise aus einem nachgiebigen Material, um den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Teile des Halbleiterbauelements Rechnung zu tragen.

In jüngster Zeit hat sich die Leistung von Halbleitervorrichtungen, wie Halbleiterdioden, -thyristoren usw., immer mehr erhöht, und es wurden bereits verschiedene Schaltkreise für diese Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen entwickelt. Wenn jedoch bei einer Störung oder einem Versagen solcher Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen ein übermäßiger Fehler- oder Erdschlußstrom durch eine solche Vorrichtung fließt, so erzeugt dieser Strom einen elektrischen Lichtbogen an der ausgelallenen 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 Hochleisaings-Halbleitervorrichtungen eine schützende (Schmelz-)Sicherung zur Unterbrechung des übermäßigen Fehlerstroms anzuordnen. Da die Stromstärke im Normalbetrh b bereits ίο über 1000 A liegen kann, muß die Sicherung eine erhöhte Strombelastbarkeit besitzen. Wird jedoch die Strombelastbarkeit der Sicherung erhöht so wird ihre Unterbrechungs- oder Abschaltzeit entsprechend lang, so daß in der Halbiervorrichtung, an welcher der ι j 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 Fehler- oder Erdschlußstrom von der zugeordneten Halbleitervorrichtung durch die mit ^A*m 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 vorlie»-t Dies führt in diesem Stöningsbereich zur Erzeugung einer so großen elektrischen Energiemenge, daß das Halbleitersubstrat oder ein so 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 Jj 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, «ο 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.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Leistungshalbleiterbauelement der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß bei fehlerhaftem Halbleiterelement ein Lichtbogen verhindert oder dissen schädigende Auswirkung auf '•o Gehäuseteile oder außenliegende Schalningskomponenten verhindert wird.

Ausgehend von dem Leistungshalbleiierbauelement der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die 5i Gehäuseteile und das Halbleiterelement zwei Ringräume gebildet sind, daß an der dem Halbleiterelement zugewandten Fläche der Metallblechteile je eine elektrisch isolierende Klebemittelschicht angebracht ist. in die je ein in jedem Ringraum angeordnetes elektrisch isolierendes Ringelement eingebettet ist. das eine höhere Warmebestandigkeit besitzt als die Klebemittelschicht.

Durch die hohe Wärmebeständigkeit des elektrisch isolierenden Elements wird verhindert, daß bei der ^b3 Ausbildung eines Lichtbogens dieses Element unmittelbar durchschmilzt und dadurch zu wenig Zeit verbleibt, während der das gesamte Material des elektrisch isolierenden Elements Wärme vom Lichtbogen abfüh-

ien und aufnehmen kann. Bei der Verwendung eines hochwärmebeständigen und elektrisch isolierenden Elements wird also ein plötzliches Durchschmelzen dieses Elements an der Stelle eines Lichtbogens zumindest zeitlich hinausgezögert, so daß dem Lichtbogen entsprechend dieser verlängerten Zeit Wärmeenergie entzogen werden kann. Dadurch wiiü der Lichtbogenlöscheffekt wirksam unterstützt

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung cgeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine planare Halbleitervorrichtung und is

Fig.2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform.

Das in F i g. 1 dargestellte planare Halbleiterbauelement umfaßt ein Halbleiterelement 10 mit im Querschnitt kreisförmigem Halbleiter-Substrat 10a, das mindestens einen nicht dargestellten pn-Übergang aufweise, einer mit der einen, d. h. gemäß Fig.! oberen Hauptfläche des Substrats 10a z. B. durch V;>;uumaufdatnpfen in ohmschem Kontakt stehenden Metallelektrode 10ύ. einer z. B. aus Molybdän bestehenden und an der anderen Hauptfläche des Substrats 10a befestigten Tragplatte 10c sowie einem Oberflächenüberzug 10c/ zum Schütze des an der Oberfläche des Substrats 10a freiliegenden Abschnitts des nicht dargestellten pn-Übergangs. Zwei im Querschnitt kreisförmige Kontaktelektroden 12a und 12b stehen mit der E'ektrode 10b bzw. der Tragplatte 10c in Berührung. Die beiden Kontaktelektroden 12a und 126 können vorteilhaft aus Kupfer bestehen.

Ein elektrisch isolierender Hohlzylinder 14 aus einem ü Keramikmaterial umschließt das Halbleiterelement 10. die Tragplatte 10c und die Kontaktelektroden 12a. 12b unter elektrischer Isolierung der Elektroden auf noch zu beschreibende Weise. Der Hohlzylinder 14 weist einen ringförmigen Schweißflansch 16 auf. der am einen der ίο beiden offer ;n Enden, bei der dargestellten Ausführungsform am unteren offenen Ende mit Hilfe eines Schweißrings 20 hart angelötet ist. der seinersei;s zwei übereinanderliegende Lagen aufweist, zwischen welche der Flansch 16 eingefügt ist. Das andere bzw. obere ** offene Ende des Hohlzylinders 14 ist mit der oberen im Querschnitt kreisförmigen Kontaktelektrode 12a über ein ringförmiges Metallblechteil 18a elastisch verbunden. Das untere offene Ende des Hohlzylinders 14 ist dagegen mit der unteren Kontaktelektrode 126über ein so anderes membranartige;. ringförmiges Metaliblechteil lebelastisch verbunden, das durch Hartlöten mit seinem Außenumfi ng am Schweiß.ing 20 befestigt und mit dem Innenumfang auf passende Weise an der Kontaktelektrode 12b angebracht ist. Der Schweißring 20 ist an »einem Außenumfang durch Lichtbogenschweißung mit dem Schweißflansch 16 verbunden.

Durch die Kont.iKtelektroden 12a. 12b. den isolierenden Hohlzylinder 14. den Schweißflansch 16. die Metallblechteile 18a. 18b und den Schweißring 20 wird <>o »omit ein luftdicht gekapseltes Gehäuse zur Aufnahme des Halbleiterelements 10 gebildet. Das Halbleiterelement 10 steht mit seiner Umfangsfläche praktisch in Berührung mit der Innenfläche des Hohlzylinders 14, so daß durch den Hohlzylinder 14 und die zu beiden Seiten ^b5 desselben vorgesehenen Metallblechteile I8.1 bzw. 18b je ein Ringraum gebildet wird.

In jedem der so fts'.^elegten Ringräume ist eine elektrisch isolierende Klebmittelschicht 22e bzw. 22b jeweils an der dem Halbleiterelement 10 zugewandten Räche des betreffenden Metallblechteils 18« bzw. 15b angebracht Diese, jeweils ringförmigen Klebmitteischichten 22a, 22b stehen am Außenumfang mit der Innenumfangswand 14a des Hohlzylinders 14 und am Innenumfang mit der Umfangsfläche 12a der betreffenden Kontaktelektrode 12a bzw. 12b in Berührung. Die Klebmittelschichten 22,?, 22b bestehen aus einem Silikongummi, weil ein solches Material eine gute Adhäsion gegenüber Metallen besitzt und einfach mit den Kcntaktelektroden 12a, 12b verklebt werden kann. Die aus Silikongummi bestehenden Klebemittdschichten 22a, 22b besitzen jeweils eine Dicke, die von der Strombelastbarkeit des betreffenden Halbleiterelements 10 abhängt Wenn das Halbleiterelement 10 beispielsweise eine Strombelastbarkeit von 1000 A besitzt liegt die Dicke der Klebmitte'schichten 22a, 22b vorzugsweise in der Größenordnung ven mehreren Millimetern.

Aus einem geeigneten Keramikm-'erial bestehende, hoch wärmebeständige, elektrisch iscHerende Ringelemente 24a und 24b sind gemäß K i g. 1 in die Silikongummischichten i!2a bzw. 22b eingelassen. Die Dicke dieser Ringelemente hängt ebenfalls voü der Strombelastbarkeit des betreffenden Halbleiterelements 10 ab. Unter den oben angenommenen Bedingungen liegt die Dicke der Ringelemente 24a. 24b in der Praxis vorzugsweise bei 0,5— 1 mm.

Bei der Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements wird zunächt. da.s Metallblechteil 18a mit der Inr.enumfangskante am Außenumfang I2cder Kontaktelektrode 12a und sodann mit dem Außenumfangsbereich am offenen oberen Ende des Hohlzylinders 14 angebracht, so da" diese drei Bauteile zu einem einstückigen Gebilde zusammengesetzt sind. Hierdurch wird eine Ringnut mit einer durch das Metallblechteil 18a gebildeten Sohle und durch die Innenfläche 12cder Kontaktelektrode 12a sowie die Innenfläche 14;j des Hohlzylinders 14 gebildeten, einander gegenüberstehenden Wänden bzw. Flanken festgelegt.

Anschließend wird eine geeignete Menge eines bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Silikongummis als Klebmittelschicht in die so gebildete Ringnut eingefüllt, wonach ein Keramikring als elektrisch isolierendes Ringelement in den Silikongummi hineii.gedrückt wird, bis letzterer zu der den eingebetteten Keramikring 24a enthaltenden Silikongummischicht 22a vulkanisiert ist.

Sodann wird das Metallblechteil 18b mit der Innenumfangskante am Außenumfang 12cder Kontaktelektrode 12b angebracht und hierauf am Außenumfang vorübergehend mit einer nicht dargestellten Schablone oder Einspannvorrichtung versehen, die anstelle der Innenfläche des Hohlzylinders 14 und des Schweißflansciies 16 mit dem Schweißring 20 eine Ringnut festlegi. Auf die vorstehend >n Verbindung mit der Schicht 22a und dem Keramikring 24a beschriebene Weise wird dann ein ähnlicher Silikonigummi in die so gebildete Nut eingegossen, und ein Keramikring wird in diese Masse hineingedrückt, ut" dadurch die Silikongummischicht 22b mit dem eingelassenen Keramikring 24b zu bilden.

Im Anschluß hieran wird das getrennt angefertigte Halbleiterelement 10 nach dem Abnehmen de»¹ Schablone zwischen die Kontaktelektrode 12a, 12b eingesetzt, worauf der Schweißflansch 16 durch Lichtbogenschweißung mit ri»m Schw ißring 20 verhunden wird. Dps so hergestellte Gebilde ist in F i g. I dargestellt.

Bei der in Fig.2, in welcher den Teilen von F i g. 1

IO

entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind, dargestellten abgewandelten Ausführungsform ist die Kontaktelektrode 126 gemäß Fig. I durch ein membranartiges Teil 18c ersetzt, das einen Umfangsabschnitt mit einer Form entsprechend der Form des betreffenden Abschnitts des Metallblechteils 186(Fig. I) und einen davon ausgehenden, flachen zentralen Abschnitt aufweist. In jeder anderen Hinsicht entspricht die Anordnung von F i g. 2 derjenigen nach Fig. I.

Bei den Anordnungen nach F i g. 1 oder 2 sei angenommen, daß das Halbleiterclement IO in seinem Außenrandbereich einen Fehler oder Schaden aufweist und daß sich im Betrieb ein Fehler- oder ErdschluB-strom im schadhaften Bereich des Elements 10 ^u konzentriert, bis dieser Bereich eine Temperatur in der Größenordnung von über 1000⁰C erreicht. Eine derartig hohe Temperatur führt zu einem teilweisen Schmelzen des Außenrandabschnitts des Halbleiterelements 10, z. B. des Siliziumsubstrats 10a und/oder der ~^! Oberflächenbeschichtung iOd, wodurch ein elektrischer Lichtbogen hoher Temperatur entsteht. Wenn sich dieser Lichtbogen auf die Oberfläche einer oder beider Siiikongummischichten 22a, 226 konzentriert, wird zunächst die betreffende Schicht verdampft, wodurch ^2> die Temperatur des heißen Lichtbogens verringert wird. Auch wenn sich der Lichtbogen so stark auf die Silikop.gummischicht 22a und/oder 226 konzentriert, daß deren Material lokal verdampft, wird der Lichtbogen durch den einen Keramikring oder beide Keramikringe 24a. 246 mit hoher Wärmebeständigkeit vollkommen abgefangen oder abgeschirmt. Hierdurch wird ein unmittelbares Auftreffen des heißen Lichtbogens auf ein oder beide Metallblechteile 18a. 186 unter Durchbrennen derselben sicher verhindert. ^J:>

Ein ggf. auftretender heißer elektrischer Lichtbogen wird somit aus dem Halbleiterbauelement nicht nach außen abgeleitet. Infolgedessen wird wirksam verhindert, daß dieser Lichtbogen das Halbleiterbauelement, in welchem er entstanden ist. zu einem elektrisch aufgeladenen Teil einer zugeordneten Vorrichtung kurzschließt, so daß auch keine Brandgefahr besteht.

Das Isolier- und Abschirmelement besteht zudem unter Bildung einer Doppelschichtkonstruktion sowohl aus den Siiikongummischichten 22a. 226 als auch aus den Keramikringen 24a, 246. Infolgedessen kann dieses Element, über die Wirkung der Siiikongummischichten 22a, 226 allein hinaus, Wärme und elektrischen Strom in ausreichendem Maß abschirmen. Bei Halbleiterbauelementen der in Fig. I und 2 dargestellter Art sind die von den Metallblechteieln 18a, 186, dem Halbleiterelement 10 und dem Hohlzylinder 14 umrissenen Räume sehr eng, so daß es sich bisher als sehr schwierig erwies, nur durch Anordnung der Siiikongummischichten 22a, 226 in diesen engen Räumen dem Halbleiterbauelement eine ausreichend große thermische und elektrische Abschirmfähigkeit zu verleihen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Maßnahme des Einlassens eines Keramikrings 24a, 246 mit höherer Wärmebestänuigkeit als der des Silikongummis der Klebemittelschichten 22a, 226 in letztere außerordentlich wirksam ist, um dem Halbleiterbauelement eine hohe thermische und elektrische Abschirmfähigkeit zu verleihen.

Selbst wenn sich ein Fehler- oder Erdschlußstrom auf den Außenrandbereich des Halbleiterelements konzentriert und diesen anschmilzt, wird ein .Sekundärunfall, etwa ein Brand, durch die beschriebene Ausbildung sicher verhindert.

Es können die elektrisch isolierenden Klebmittelschichten 22a. 226 auch aus einem beliebigen anderen, elektrisch isolierenden klebfähigen Material als Silikongummi bestehen. Ebenso können die hoch wärmebeständigen, elektrisch isolierenden Ringelemente 24a. 246 nicht nur aus Keramikmaterial, sondern auch aus einem beliebigen anderen Isoliermaterial bestehen, solange dieses eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als die isolierenden Klebmittelschichten 22a, 226. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist Aluminiumoxid.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Leistungshalbleiterbauelement, mit einem zwischen zwei Kontaktelektroden angeordneten und von einem Hohlzylinder aus elektrisch isolierendem Material umgebenen Halbleiterelement, wobei die Kontaktelektroden mit dem Hohlzylinder durch ringförmige Metallblechteile verbunden sind, so daß innerhalb des dadurch gebildeten, verschlossenen Gehäuses ein Ringraum vorliegt, und wobei in dem Ringraum ein elektrisch isolierendes, wärmebeständiges Ringelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gehäuseteile (14,18a, 186,20) und das Halbleiterelement (10) zwei Ringräume gebildet sind, daß an der dem Halbleiterelement (10) zugewandten Fläche der Metallblechteile (18a, 18b) je eine elektrisch isolierende Klebemittelschicht (22a, 22b) angebracht ist, in die je ein in jedem Ringraum angeordnetes elektrisch isolierendes Ringelement (24a, 24b) eingebettet ist, das eine höhere Wärmebeständigkeit besitzt als die Klebemittelschicht (22a, 22b).

2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d'.e Klebmittelschicht (22a, 22b) aus .Silikongummi besteht, und daß das Ringelement (24a, 24b) aus Keramik besteht.

3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (24a, 246,)aus Aluminiumoxid besteht.