DE2831153A1

DE2831153A1 - Gehaeuse fuer halbleiter-hochleistungsbauelemente

Info

Publication number: DE2831153A1
Application number: DE19782831153
Authority: DE
Inventors: Patrick De Dipl Ing Bruyne; @@ Eisele Dieter Dipl Phys; Andre Dipl Ing Dr Jaecklin
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1978-07-15
Publication date: 1980-01-10
Also published as: CH630490A5; GB2024514A; GB2024514B; JPS559498A; FR2430095A1; JPS6410938B2; FR2430095B1; US4426659A

Description

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Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente, bestehend aus einem das Gehäuse seitlich begrenzenden Isolator, mindestens zwei mehrteiligen Kontaktstücken,zwischen denen jeweils ein Halbleiterbauelement angeordnet wird und Verbindungsstücken, die die jeweils aussenliegenden Kontaktstücke mit dem Isolator verbinden.

Ein derartiges Gehäuse ist beispielsweise aus der DE-OS 2 652 3^8 bekannt. Es zeichnet.sich durch seine hohe Explosionsfestigkeit aus. Während nämlich bei den üblichen im Handel erhältlichen Press-Pack-Normgehäusen nur Kurzschlussströme in Rückwärtsrichtung zulässig sind, die zu einem

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i dt ■< 1,5 · 10 A see führen, lassen

sich mit der in der deutschen Offenlegungsschrift offenbarten Erfindung noch Werte des Grenzlastintegrals von

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5 bis 10 ' 10 A see erreichen. Dieses wird bei dem bekannten Gehäuse im wesentlichen durch zwei Massnahmen erreicht :

Zum einen sind seitlich an die Kontaktstücke angrenzende Kupferringe vorgesehen, die verhindern, dass sich ein über einem schadhaften Halbleiter unter Umständen ausbildender Lichtbogen unter Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes aufweitet und zur Durchschweissung der Verbindungsstücke führt. Zum anderen sind bei dem bekannten Gehäuse die Verbindungsstücke mit einer thermischen und elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, um sie vor den heissen Lichtbogengasen zu schützen.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,ein Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen Explosionsfestigkeit grosser ist, als diejenige bekannter Halbleitergehäuse. Vorzugs-

7 2 weise sollen noch Grenzlastintegrale mit Werten ^ 10 A see zulässig sein. Derartige Gehäuse sollen sich überdies durch einen einfachen und zweckmässigen Aufbau auszeichnen und in wirtschaftlicher Weise herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass diejenigen Teile, die bei Bildung eines Lichtbogens zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind,aus einem Material bestehen₅dessen totale, sich aus spezifischer Erwärmungs- und Schmelzenergie zusammensetzende Energieaufnahme möglichst gross ist, mindestens aber den Wert von Kupfer (20 Mega Joule/cm⁵ bei 400°K) übersteigt, und dass die Innenwände der Verbindungsstücke zum Schutz gegen freiwerdende Schmelzprodukte zusätzlich jeweils durch eine Schutzschicht und/oder einen Schutzring gesichert sind.

Die vorliegende Anmeldung geht zum einen von der Erkenntnis aus, dass zur Erreichung grosser Werte des Grenzlastintegrals die vom Material am Pusspunkt des Lichtbogens aufgenommene Energie vor Erreichen des geschmolzenen bzw. gasförmigen Zustandes besonders wichtig ist. Denn das einmal geschmolzene bzw. verdampfte Material wird durch die Einwirkung der statischen und dynamischen Kräfte weggeschleudert und kann im Extremfall zur Auslösung der unerwünschten Explosion führen. Da Wolfram aber auch Molybdän wesentlich höhere spezifische Energien vor Erreichen des geschmolzenen Zustandes aufnehmen können als Kupfer (vgl. CY. Smithells, "Metals Reference Book, 5th ed., Butterworths 1976), eignen sich auch die beiden erstgenannten Metalle besser als Fusspunktmetalle als letzteres und zwar Wolfram besser als Molybdän.

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Zum anderen ist zu berücksichtigen, dass bei genügend grossen Grenzlastintegralen die Entstehung von geschmolzenen und gasförmigen Produkten (z.B. von Si₁ W₃ Mo₃ Cu₅ Ag etc.) unvermeidlich ist. Das geschmolzene Material tropft entweder durch die Schwerkraft herunter und/oder wird durch das Lichtbogenplasma an anderen Stellen im Gehäuse geschleudert. Besonders gefährdet sind die dünnen metallischen Verbindungsstücke zum Isolator. Diese Verbindungsstücke weisen in der Regel einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf (häufig handelt es sich um Legierungen aus Ni₃ Co₃ Fe und ev. Mn oder Cu). Ein Durch-, schmelzen dieser Verbindungsstücke durch die entstandenen geschmolzenen oder gasförmigen Produkte wird durch die Schutzringe oder eine entsprechende Schutzschicht verhindert.

Der Schutzring bzw. die Schutzschicht sollen einerseits ein relativ geringes Volumen haben₃ damit das Gasvolumen ein wirksames Reservoir für den Ueberdruck darstellt. Andererseits soll das jeweils verwendete Material keine Gase abgeben. Bevorzugte Materialien sind Hoehtemperaturwerkstoffe wie Glas-, Quarz- oder Siliziumfasern₃ (Gewebe oder Pressform), Asbest, Keramik (vorgeformt oder als härtbare Masse) etc.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, anhand von Zeichnungen erläuterten Beschreibung zweier Ausführungsbexspxele.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente nach der Erfindung₃ wobei das anodenseitige Kontaktstück an das Halbleiterbauelement anlegiert ist und

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Pig. 2 ein entsprechendes Gehäuse, bei dem eine Druckkontaktierung des Halbleiterbauelementes erfolgt.

In Fig. 1 ist zwischen den beiden aus Kupferscheiben 1, 1' und Zwischenscheiben la, la' bestehenden Kontaktstücken ein Halbleiter-Hochleistungsbauelement (Diode, Thyristor, etc.) 2 angeordnet, dessen Randzone beispielsweise mit einer mehrschichtigen Kunststoffschicht 6 passiviert ist. Die Zwischenscheiben la, la', bestehen vorzugsweise aus Wolfram oder aus Molybdän.

Die Kontaktstücke 1, 1', la, la' und das Halbleiterbauelement 2 werden von einem Keramikisolator 3 umgeben₃ der über flexible Verbindungsstücke 4, 4' mit den Kupferscheiben 1, 1' verbunden ist. Die Verbindungsstücke 4, 4' bestehen üblicherweise aus Metallblech, bei preisgünstigen Gehäuse-Varianten auch aus Kunststoff.

Die Zwischenscheiben la, la' sind so ausgebildet, dass sie als Pusspunkt für den sich unter Umständen über dem Halbleiterbauelement ausbildenden Lichtbogen dienen. Um zu verhindern, dass der am Halbleiter angelegte Druck inhomogen wird, ist zwischen den Kupferscheiben 1, 1' und den Zwischenscheiben la, la' jeweils ein Spalt 5, 5' vorgesehen.

Besonders vorteilhaft wird die Konstruktion, wenn die obere und untere Zwischenscheibe la, la' denselben Durchmesser haben. Deren Dicke am äusseren Rand sollte bei beiden Scheiben etwa· gleich sein. Vorzugsweise ist die kathodenseitige Scheibe etwas dicker, weil dort etwas mehr Energie freigesetzt wird. Fertigungstechnisch kann es vorteilhaft sein, das Halbleiterbauelement auf eine erste dünne Zwischenscheibe, beispielsweise aus Molybdän, aufzulegieren und dann zur Erhöhung des Explosionsintegrals zwischen dieser Molybdänscheibe und der jeweiligen Kupferscheibe 1, 1'

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eine zweite aus Wolfram oder Molybdän bestehende Zwischenscheibe Ia₃ la¹, anzuordnen.

Der äussere Durchmesser der Kupferscheiben1, 1' soll etwa gleich sein wie der jenige j.. der Zwischenscheiben Ia₃ la', um bei einem allfälligen DurchschmeIzen dieser Scheiben den • Lichtbogen-Fusspunkt aufnehmen zu können. Bei ausreichender Dicke der Zwischenscheiben genügt auch ein geringerer Durchmesser der Kupferscheiben 1, 1' (gestrichelte Linie in Fig. 1).

Um ein Durchschmelzen der Verbindungsstücke 4, 4' durch die entstandenen Schmelzprodukte zu verhindern, sind Schutzringe 7j 7¹ .vorgesehen, die beispielsweise aus Glas-, Quarzoder Siliziumfasern aber auch aus temperaturfestem Kunststoff, Asbest oder Keramik bestehen können.

Zusätzlich zu den Schutzringen 7, 7' sind die Innenwände sowohl der Verbindungsstücke 4, 4' als auch des Isolators 3 gegen den durch Schmelzspritzer und/oder heisse Gase erzeugten Temperaturechock durch eine Schutzschicht 8, 8', 8" zu schützen (vgl. DE-OS 2 652 348). Eine solche Schutzschicht sollte vorzugsweise stoffschlüssig aufgebracht werden. Falls der Schutzring 7, 7^f nicht gasdichte Fugen aufweist, wäre diese Schutzschicht auch jenseits des Ringes vorzusehen. Für diese Schutzschicht 8, 8', 8" genügt insbesondere an den metallischen Verbindungsstücken 4, 4' ein relativ dünner Belag (einige 100 μια), weil dort nur sehr kleine Teilchen auftreffen. Auch dieser Belag besteht vorzugsweise aus einem anorganischen Hochtemperaturwerkstoff ₃ der durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit eine rasche Erwärmung der zu schützenden Teile verhindert. Da sich jedoch eine Kunststoffschicht viel leichter aufbringen lässt, ist es fertigungstechnisch von Vorteil, unter Inkaufnahme einer geringen Gasbildung Kunststoffschichten als Schutzschicht

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8₃ 8', 8" zu verwenden (z.B. Kaptonfolie₃ Siliconkautschukfolie₃ Lack auf Siliconkautschuk-Basis etc.). Unter Umständen können eine oder mehrere Schichten einer solchen hochtemperaturfesten Folie auch den Schutzring 4₃ 4' ersetzen. Die entstehende G-assehicht bewirkt überdies eine lokal sehr wirksame Wärmeisolierung.

In Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind in Fig. 2 zwischen dem Halbleiterbauelement 2 und den Kontaktstücken Ia₃ la¹ zwei Silberfolien 9, 9' vorgesehen. Die Fusspunktflächen 1O₃ 10^r ₃ die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte dienen sind, wie in der DE-OS 2 652 348 beschrieben₃ vorgezogen. Der in' Fig. 1 vorgesehene Schutzring 4₃ 4' ist ersetzt durch mehrere Schichten 11, 11^r hochtemperaturfester Klebfolie.

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Claims

BBC Aktiengesellschaft . ZOO M

Brown, Boveri & Cie. '

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P/Ca

Pat ent ansprüche

r ll Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente, bestehend aus einem das Gehäuse seitlich begrenzenden Isolator, mindestens zwei mehrteiligen Kontaktstücken, zwischen denen jeweils ein Halbleiterbauelement angeordnet wird und Verbindungsstücken, die die jeweils aussenliegenden Kontaktstücke mit dem Isolator verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile (la, la'), die bei Bildung eines Lichtbogens zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, aus einem Material bestehen, dessen gesamte spezifische Energieaufnahme einen Wert aufweist, der grosser ist, als derjenige von Kupfer (20 Mega Joule/cm bei 400⁰K)₃ und dass die Innenwände der Verbindungsstücke (4, 4^r) zum Schutz gegen freiwerdende Schmelzprodukte zusätzlich jeweils durch einen Schutzring (7, 7') und/oder durch eine Schutzschicht (8, 8') gesichert sind.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile (la, la'), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, aus Molybdän oder aus Wolfram bestehen.
3· Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei denjenigen Teilen (la, la¹), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, um die dem jeweiligen Halbleiterbauelement (2) nächsten Kontaktstücke handelt.
4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktteile (la, la'), die zur Aufnahme der

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Lichtbogenfusspunkte dienen und die jeweils weiter aussenliegenden Kontaktteile (I₃ 1') an ihren Rändern nicht berühren, so dass dort jeweils ein Spalt (5₃ 5^f) mit einer Breite >. 10 ^m entsteht.
5. Gehäuse nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktteile (Ia₃ la.¹) ₃ die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte dienen,einen grösseren Durchmesser aufweisen, als die an diese Kontaktteile (la, la¹) angrenzenden Kontaktteile (1, 1') und dass die ersteren Kontaktteile (Ia₃ la¹) von der Innenwand des Isolators (3) nur durch schmale Spalte, getrennt sind, deren Abstand so bemessen ist, dass keine Schleifenbildung des Lichtbogens in die Spalte hinein erfolgt.
6. Gehäuse naoh Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzring (7, 7^!) entweder aus Glas-, Quarz- oder Siliziumfasern, aus temperaturfestem Kunststoff, Asbest oder aus Keramik besteht.

7- Gehäuse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Innenwand des Isolators (3) mit einer Schutzschicht (8") aus einem Hochtemperaturwerkstoff versehen ist.

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