DE2839043C2 - Halbleiterbauelement für Mikrowellen - Google Patents

Halbleiterbauelement für Mikrowellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.
Derartige Halbleiterbauelemente sind aus üer DE-OS 20 02 810 bekannt Ebenso wie bei dem vorliegend angegebenen Halbleiterbauelement sind bei dem Bauelement nach der DE-OS 2Ö02S1Ö mehrere Diodeneiemente vorgesehen, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei an die einzelnen Diodenelemente beidseitig wärmeableitende Anjchlußelektroden angrenzen.
Bei dem bekannten Halbleiterbauesement sind aber die einzelnen Diodenelemente auf einem gemeinsamen Substrat gebildet, welches aufgrund seiner schlechteren Leiteigenschaften den Wärmefluß von den einzelnen Diodenelementer. zu einer Elektrode hemmt, weshalb man bei der bekannten Einrichtung vorwiegend auf einen Wärmeabtransport aus den Diodenelementen zu der zugehörigen Kühlplatte hin angewiesen ist.
Aus der DE-OS 25 56 749 ist es fernerhin bekannt, einen Halbleiterkörper zwischen Druckplatten und an diese anschließende Kupferciektrcden vergleichsweise großen Volumens derart einzuspannen, daß ein Wärmeabfluß von dem Halbleiterkörper nach zwei Richtungen erfolgen kann. Die bekannte Einrichtung ist jedoch nicht für den Betrieb bei Mikrowellenfrequenzcn bestimmt.
Schließlich ist es aus der DE-OS 20 06 700 bekannt, ein Halbleiterbauelement für Mikrowellen mit einem hohlzylindrischen, isolierenden Abstandshalter zu versehen, der vom Flansch eines mit Gewindeansatz versehenen metallischen Basisteiles zu einer Verschlußvorrichtung zum Verschließen des Flansches hin aufragt, doch ist es· auf der von dem Metall-Basiskörper abge-
"Λ wandten Seite des Diodenelementes schwierig, eine wirksame Wärmeabfuhr zu einer Wärmesenke großen Volumens zu erreichen.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 so auszugestalten, daß eine verbesserte Wärmeabfuhr von einem Diodenelement oder von mehreren Diodenelementen eines bei Mikrowellenfrequenzen betriebenen Halbleiterbauelementes gegenüber den Verhältnissen bei bekannten Bauelcmenten erreicht wird, um eine Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Verminderung der Betriebstemperatur zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
b) Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordnetcn Patentansprüche.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines
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Halbleiterbauelementes der vorliegend angegebenen Art unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es stellt dar
F i g. 1 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement der hier angegebenen Art,
F i g. 2 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 1 und
Fig.3 einen Querschnitt durch eine fertiggestellte Schaltungspackung unter Verwendung des Halbleiterbaueiementes nach den F i g. 1 oder 2.
Der Aufbau eines Halbleiterbauelementes der vorliegend angegebenen Art wird zunächst anhand von F i g. 1 erläutert. Das Halbleiterbauelement enthält eine Reihe von Diodenkörpern 18 aus Galliumarsenid in Mesastruktur, welche durch Ätzung entsprechender Schichtverbände gebildet sind und welche sich unter Goldkontakten 17 und Gold-Germanium-Zwischenschichten 14 befinden. Die kreisförmige Gestalt der Goldkontakte 17 ist in der Aufsichtsdarstellung von Fig.2 erkennbar. Bei der Herstellung wird auf das Halbleitersubstrat aus Galliumarsenid, aus dem später die Diodenkörper ie in Mesastmktur gebildet werden, zunächst eine Platinschicht 11 aufgesputtert und auf diese wiederum eine Titanschicht 12 durch Sputtern aufgebracht Diese Schicht kann auch aus Wolfram, Hafnium oder anderen hochtemperaturbeständigen Metallen bestehen. Über der Titanschicht 12 wird eine Goldschicht 13 wiederum durch Sputtern aufgebracht, welche schließlich durch eine weitere Goldschicht 16 durch Plattieren verstärkt wird.
An die einzelnen Diodensäulen oder Diodenkörper 18 in Mesastruktur grenzen, wie aus F i g. 3 erkennbar, auf der Oberseite kreisförmige Goldkontaktschichten und auf der Unterseite eine durchgehende Goldkontaktschicht an, die mit angrenzenden Wärmesenken großen Volumens Kontakt haben.
Die Schnitidarsiellung der F i g. 3 zeigt eine Anordnung mit vier Diodensäulen, wie sie aus den F i g. 1 und 2 erkennbar sind, die in einem paketartigen Aufbau in einer doppelseitig mit Wärmesenke versehenen Mikrowellendiode ausgebildet ist. Die Goldkontaktschicht 16 ist auf die obere Fläche einer metallischen Diodenbasis 28 mit Hilfe einer Lötverbindung 27 aufgelötet. Die Diodenbasis 28 ist vorzugsweise aus einem thermisch und elektrisch sehr gut leitenden Metall, wie Kupfer, hergestellt und .kann auf ihrer äußeren Fläche noch einen Überzug aus Gold besitzen. Der untere Teil der Basis 28 trägt ein Außengewinde und ist mit einem Schraubenzieherschlitz 29 ausgestattet, damit die Paketanordnung montiert werden kann.
Die Basis 28 stellt eine Wärmesenke für die in den Diodensäulen 18 entstehende und durch die Goldkontaktschicht 16 übertragene Wärmemenge dar. Ein Basisflansch 31 umläuft den oberen Bereich der Diodenbasis 28 und stellt eine Siütze für einen zylindrisch geformten Keramikabstandshalter 26 dar. Der Keramikabstandshalter 26 isoliert sowohl thermisch als auch elektrisch. Auf dem Keramikabstandshalter 26 ist ein Ringflansch 25 befestigt.
Nach einem Merkmal einer speziellen Ausführungsform der Erfindung befindet sich die obere Wärmesenke 32 im Innenraum des keramischen Abstandshalters 26 und ist elektrisch und thermisch mit den Goldkontakten 17 der Diodensäulen 18 in Verbindung. Die obere Wärmesenke 32 ist aus einem thermisch und elektrisch sehr gut leitenden Metall, wie goldplattiertem Kupfer, hergestellt, das auch für die Bisjs 28 benutzt wird. Das Volumen der oberen Wärmesenke 32 sollte erheblich größer
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65 als das der Diodensäulen 18 sein, damit es keinen thermischen Widerstand für den Wärmestrom von den oberen Enden der Diodensäulen 18 darstellt. Ein flexibier folienartiger, mit Randflansch ausgebildeter Abschluß 24, der thermisch und elektrisch mit der Oberseite der oberen Wärmesenke 32 in Verbindung ist, wird mit der Oberfläche des Flansches 23 verbunden. Ein Metalldekkel 23 deckt das Ganze ab und steht zudem elektrisch und thermisch mit der folienartigen Abdeckung 24 in Verbindung. Bei dem Einbau der Vorrichtung in einen Verstärker oder eine Oszillatorschaltung ist ein Kontaktstift auf die Oberseite des Deckels 23 aufgesetzt, der eine Fortsetzung des oberen Wärmeableitpfades darstellt.
Die in der F i g. 3 gezeigte Vorrichtung hat zahlreiche Vorteile gegenüber den bisher bekannten besonders im Hinblick auf die Wärmestromeigenschaften, die einen Einsatz bei höherer Leistung zulassen, als dies bei Dioden mit gleichen Abmessungen bisher möglich war. Zum ersten ist dadurch, daß zahlreiche Diodensäulen gegenüber einer einzigen Säule mi', i'erselbsn Gesamtfläche des Übergängsbereiches vorgesehen werden, der thermische Widerstand zwischen dem Übergangsbereich oder irgendeinem Punkt innerhalb der einzelnen Diodensäulen wesentlich niedriger, als bei einer Vorrichtung mit einer einzigen größeren Säule. Eine Anordnung von drei Säulen in den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks oder von vier Säulen auf den Ecken eines Quadrates wird bevorzugt. Zum zweiten wird daraus Vorteil gezogen, daß sich auf beiden Seiten der Diodensäulen Wärmesenken befinden, so daß die Wärme aus den Entstehungsbereichen innerhalb des Diodenmaterials nach zwei Richtungen nach außen abfließen kann. Auf diese Weise wird eine zweite starke Verminderung des gesamten Wärmewiderstandes und folglich der Temperatur des Übergangsbereiches erzielt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement für Mikrowellen mit einer ersten elektrisch und thermisch leitenden Metallschicht (16), über der sich mindestens ein Diodenelement (18) befindet, das auf seiner von der ersten Metallschicht abgewandten Seite mit einer brw. je einer zweiten elektrisch und thermisch leitenden Metallschicht (17) in Berührung steht sowie mit einem Metallkörper (32), dessen Volumen größer als dasjenige des mindestens einen Diodenelementes (18) ist und der in elektrisch und thermisch leitendem Kontakt mit der zweiten Metallschicht (17) bzw. den zweiten Metallschichten steht, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Diodenelement (18) ein mesaförmig gestalteter Diodenkörper ist, der auf der ersten Metallschicht (16) elektrisch und thermisch leitend aufliegt, welche sich ihrerseits auf einer ebenen Räche eines mit einem Gewindeansatz uiifi einem zwischen der ebenen Fläche und dem Gewindeansatz vorgesehenen Flansch (31) versehenen Metall-Basiskörper (28) befindet, daß ein isolierender, hohlzylindrischer Abstandshalter (26) sich einerseits gegen den Flansch (31) des Metall-Basiskörpers (28) abstützt und andererseits einen leitfähigen Flanschring (25) trägt, daß fernerhin eine flexible Metallfolienschicht (24) vorgesehen ist, deren Mittenbereich mit dem Metallkörper (32) verbunden ist und deren Außenrand mit dem Flanschring (25) verbunden ist und daß schließlich die flexible Metallfolienschich.. (24) von einem scheibenförmigen Dekkel (23) überdeckt ist
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß de- Metall-Basiskörper (28) und der Metallkörper (32) aus wärmeleitendem Material jeweils ein größeres Volumen als die Diodeneiemente (18) haben.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Basiskörper (28) und der Metallkörper (32) elektrisch leitfähig sind.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Flächen der Diodenelemente (18) Kontakte der aktiven Elemente des Bauelementes darstellen.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenelemente (10) untereinander im wesentlichen gleich sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Diodenkörper (18) in Mesastruktur vorhanden sind, die auf den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Diodenkörper (18) vorgesehen sind, die auf den Ecken eines Rechtecks angeordnet sind.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenkörper IM PATT-Diodenkörper, insbesondere Doppeldrift-IMPATT-Diodenkörper.sind.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Oberfläche der Diodenkörper (18) und die erste Metallschicht (16) eine Schicht eines eine Schottky-Sperr
schicht bildenden Metalls eingefügt ist.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Basiskörper (28) und der Metallkörper (32) aus Kupfer bestehen.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Basiskörper (28) und der Metallkörper (32) mit einer Goldschicht belegt sind.
12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Abstandshalter (26) aus keramischem Werkstoff.
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