DE2848252C2

DE2848252C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2848252C2
Application number: DE2848252A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Takarazuka Hyogo Ohdate
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1983-12-01
Also published as: US4274106A; DE2848252A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem elektrisch isolierenden Hohlzylinder, der ein Halbleiterelement unter Bildung eines Ringraumes umschließt mit zwei einander gegenüberliegenden zylindrischen Elektroden, zwischen denen das Halbleiterelement eingefügt ist wobei die Elektroden über dünne metallische Ringscheiben mit den stirnseitigen Enden des Hohlzylinders luftdicht verbunden sind, und mit je einem von jeder Elektrode radial nach außen abstehenden Flansch, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In letzter Zeit wird mehr und mehr angestrebt, Halbleiterbauelemente und insbesondere Leistungs-Halbleiterbauelemente mit hoher Leistung und/oder kleinen Abmessungen zu schaffen. Mit zunehmender Strombelastbarkeit der Halbleiterbauelemente wird es jedoch schwierig, die Bauelemente durch zugeordnete Sicherungen zu schützen und diese Bauelemente und Sicherungen aufeinander abzustimmen. Wenn geeignete Sicherungen nicht zur Verfügung stehen, entspricht ein durch ein solches Halbleiterbauelement fließender Kurzschlußstrom im ungünstigsten Falle einem Mehrfachen des innerhalb weniger Perioden des Stromes zulässigen Nennsiromstoßes bis zum Auslösen der Sicherung. Wenn dieser Kurzschlußstrom hoch genug ist, schmilzt er nicht nur das Halbleitermaterial, ζ. Β. das Silizium eines in der Anordnung vorgesehenen Halbleiterbauelements, sondern auch die am Halbleiterbauelement aisgeformten Elektroden aus einem thermisch und elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium. Außerdem kann sich dabei eine Inertgasfüllung des Halbieiterbauelementes so ausdehnen, daß eine Explosion erfolgt die zu schweren Schäden und Zerstörungen an äußeren oder umliegenden Einrichtungen fuhren kann.

Ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE-OS 26 52 348 bekannt r'obei dort zur Erhöhung der Explosionsfestigkeit bei Bildung eines Lichtbogens an die Elektroden seitlich angrenzende und diese ringförmig umgebende Flansche vorgesehen sind, welche von der Innenwand des elektrisch isolierenden Hohizylinders durch schmale Spalte getrennt sind. Bei der dort angegebenen Anordnung ergibt sich jedoch der Nachteil, daß im Falle eines Kurzschlusses die im Zwischenraum zwischen den Flanschen gebildeten heißen Tröpfchen durch die schmalen Zwischenräume hindurchfliegen und dann auf die metallischen Ringscheiben aufschlagen können.

Aus der DE-OS 21 04 726 ist ein Halbleiterbauelement bekannt bei dem um den Außenumfang des Halbleiterelementes eh.e neutralisierende Masse ringförmig angeordnet ist was den Nachteil mit sich bringt daß beim Fließen eines hohen Kurzschlußstromes in dem Halbleiterelement ein Abschmelzen und Verdampfen der äußeren Umfangsbereiche des Halbleiterelementes verursacht wird. Dadurch wird auf diese ringförmige Masse von innen ein hoher Druck und eine hohe thermische Belastung ausgeübt so daß die Gefahr besteht daß diese Masse zerplatzt und damit die Explosionsgefahr noch erhöht wird.

Ausgehend von einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbaue' ment sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem die bei Überlastung entstehenden Schmekprodukte daran gehindert werden, aus dem Gehäuse des Halbleiterbauelements auszutreten.

Die eriindüngsgernäSe Lösung besteht darin, daß der Hohlzylinder in radialer Richtung nach innen zwischen die Flansche vorspringt und diese überlappt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden somit die dünnen metallischen Ringscheiben, die zwei einander gegenüberliegende Elektroden mit einem isolierenden Hohlzylinder verbinden, vor einem schnellen Erreichen ihres Schmelzpunktes und einem Durchbruch geschützt. Infolgedessen werden etwaige entstehende Schmelztröpfchen daran gehindert, aufgrund einer Explosion einer inneren Inertgasfüllung der

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Flachgehäuses herumzuspritzen.
Beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wird in vorteilhafter Weise eine Art Labyrinth zwischen dem Ringraum und den metallischen Ringscheiben gebildet. so daß die bei einem Kurzschluß von dem Halbleiterelement abfliegenden heißen Tröpfchen aufgrund der räumlichen Anordnung praktisch keine Möglichkeit haben, auf ihrer Flugbahn zu den metallischen Ringscheiben zu gelangen. Auf diese Weise wird eine wirksame Trennung erreicht, und abfliegende heiße Tröpfchen werden entweder zunächst auf einen der

Flansche oder auf die Wand des Hohlz"linders auftreffen, wo sie jedoch den größten Te., ihrer thermischen Energie verlieren, so daß die Anordnung einen verbesserten Schutz gegenüber derartigen Teilchen bietet.

Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung weist der Hohlzylinder einen an seiner Innenfläche ringförmig umlaufenden Vorsprung auf, der für die erwünschte Trennung des Ringraumes gegenüber den metallischen Ringscheiben sorgt.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist vorgesehen, daß zwischen jedem Flansch und dem Hohlzylinder ein Ringelement eingefügt ist, welches das Halbleitereier' ;nt gegenüber der jeweils benachbarten Ringscheibe ι äuinH-h trennt Auf diese Weise wird die räumliche Tren?. -7 noch weiter verbessert Dabei kann da- Ri „element zweckmäßigerweise als O-Ring aussebhc—-. 11.

Bei einer anderen Ausführungsf';... gemäß der Fig. 12 eine der Fig. 11 ähnliche Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform gemäß F i g. 11,

Fig. 13 eine der Fig. 10 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 14 eine der Fig. 11 ähnliche Darstellung eines abgewandelten Teils der Anordnung gemäß Fig. 13, und in

F i g. 15 und 16 der F i g. 14 ähnliche Darstellungen zur Erläuterung von weiteren Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Zum besseren Verständnis wird zunächst anhand der F i g. 1 bis 3 ein herkömmliches Flachgehäuse-Halbleiterbauelement erläutert. Gemäß Fig. 1 besteht ein allgemein mit 10 bezeichnetes Halbleiter-Glsichrichter-1* element aus einem Siliziumsubstrat 12 mit darin ausgebildeten, nicht dargestellten PNN+-Übergängen, einer an der einen Hauptfläche, d.h. an der unteren Hauptfläche des Substrats 12 gemäß F i g. 1 mittels einer Schicht einer eutektischen Al-AlSi-Legierung 16 ange-

Erfindung steht jeder der Flansche =;it dem isolierenden 20 löteten Tragplatte 14 und einer mit de·.· anderen bzw. Hohlzylinder in Berührung u~ J u-enr.t das Halbleiterele- oberen Hauptfläche des Substrats 12 in ohmschem

Kontakt stehenden Al-EIektrodensc'.iicht 18. Die Tragplatte 14 besteht aus Molybdän mit prair*' ch demselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das HaIbleitermaterial, beim dargestellten Beispiel Silizium, des Substrats 12, und die Elektrodenschicht 18 ist auf der oberen Hauptfläche des Substrats durch Aufdampfen von Alumirium ausgebildet

Das Halbleiter-Gleichrichterelement ist dabei fest Enden des Hohlzylinders gebildet wird. Auf diese Weise 30 zwischen eine obere und eine untere zylindrische kann das Halbleiterbauelement in einfacher und Elektrode 20 bzw. 22 eingefügt wobei die Al-Elektrodenschicht 18 in Druckkontakt mit der oberen Elektrode 20 und die Tragplatte 14 auf ähnliche Weise in Druckkontakt mit der unteren Elektrode 22 gebracht ist. Die Anordnung mit dem Gleichrichterelement und den beiden Elektroden ist in einem elektrisch isolierenden Hohlzylinder 24, beispielsweise aus einem Keramikmaterial, angeordnet und einerseits durch eine flexible metallische Ringscheibe 26, die an ihrem Innsnumfang •»° mit der oberen Elektrode 20 und an ihrem Außenumfang mit der oberen Stirnfläche des Hohlzylinders 24 gemäß F i g. 1 hartverlötet ist, und andererseits durch eine flache metallische Ringscheibe 28 festgelegt deren Innenumfang durch eine Hartlötung mit einer Umfangs-⁴⁵ schulter der unteren Elektrode 22 verbunden ist während ihr Außenumfang über ein flanschartiges Flachteil 30 mit der anderen bzw. unteren Stirnfläche des Hohlzylinders 24 durch Hartlöten verbunden ist Die flexible Ringscheibe 26 besteht dabei aus dünnem

Fig.5 eine der Fig.4 ähnliche Darstellung einer 50 Kupferblech, während die flache Ringscheibe 28 aus abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemä- Eisenblech oder einer Eisen-Hickel- Legierung besteht

Die beiden Elektroden 20 und 22 sind jeweils an ihren freien Enden mit eiriT Anzahl von Kühlrippen 32 versehen. Ein durch die einander gegenüberliegenden Ehkti jden 20 und 22, den Hohlzylinder 24 sowie die Ringscheiben 26 und 28 gebildeter, gasdichter Hohlraum ist mit dem Volumen eines geeigneten Inertgases gefüllt. Zur betriebsmäßigen Verbindung der Anordnung gemäß Fig. 1 wird auf die Teile mit den Kühlrippen 32 ein Druck von mehreren Tonnen ausgeübt, um das Halbleiterelement 10 elektrisch und

ment räumlich gegenüber de. jeweils benachbarten Ringscheibe. Auch jaf diese Weise ist die gewünschte räumliche Trennung in zufriedenstellender Weise gewährleistet

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes zeichnet sich dadurch aus, daß der Vorsprung am Hohlzylinder durch teilweise Materialabtragung an den

zuverlässiger Weise hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Beschreibung und im Vergleich zum Stande der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 einen teilweise in Seitenansicht gehaltenen Längsschnitt durch ein herkömmliches Flachgehäuse-Halbleiterbaue'ement mit weggebrochenen Teilen,

F i g. 2 eine graphische Darstellung einer Stromwel- ·*ο lenform zur Erläuterung eines durch ein Leistungs-Halbleiterbauelement fließenden Kurzschlußstromes,

F i g. 3 eine der F i g. 1 ähnliche Darstellung, die einen Bruch der Anordnung gemäß F i g. 1 aufgrund eines hindurchfließenden Kurzschlußsirornes zeigt

F i g. 4 eine der F i g. 1 ähnliche Darstellung einer Ausführungsform eines Flachgehäuse-Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung, die Schmelztröpfchen von einem Halbleiterelement und den Elektroden zeigt.

ßen Halbleiterbauelements,

F i g. 6a bis 6e Schnitte von verschiedenen Ausführungsformen des abschirmenden Ringelementes gemäß Fig. 5,

F i g. 7 eine der F i g. 4 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungs'orm der Erfindung,

Fig.8 einen Teillängsschnitt zur Erläuterung eines abgewandelten Teiles der Ausführungsform gemäß Fig.7.

Fig.9 eine der Fig.8 ähnliche Darstellung zur Erläuterung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform gemäß F i g. 8,

Fig. 10 eine der Fig.4 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 11 einen Teillängsschnitt zur Erläuterung eines abgewandelten Abschnitts der Anordnung gemäß Fig. 10,

thermisch nut den einander gegenüberliegenden Elektroden 20 und 22 zu verbinden.

Das Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 kann eJnen

Durchbruch bzw. Durchschlag durch einen hmdurchfließenden Kurzschlußstrom erleiden. Wenn an die Elektroden 20 und 22 eine Wechselspannung angelegt

wird, so daß ein den DurcbJaß-Nennstronistoß der

Anordnung übersteigender Dürchlaßstrom fließen kann, kann dieser in einer ersten Periode der Wechselspannung durch das Siliziumsubstrat 12 fließen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, wo der Strom in Ampere auf der Ordinate gegenüber der Zeit in Millisekunden s auf der Abszisse aufgetragen ist. Dabei steigt die Temperatur des Siliziumsubstrats 12 auf 250 bis 500°C an, während der Sperrstrom gemäß Fig.2 ohne Durchbruch der Sperrschichten blockiert wird. In einer zweiten Periode der Wechselspannung steigt jedoch die to Temperatur des Siliziumsubstrats 12 weiter auf 1200 bis 2000⁰C an. Dadurch verlieren die PNN+-Übergänge oder -Sperrschichten ihre Gleichrichterfunktion, bis gemäß F ι g. 2 ein Gegen- oder Sperrstrom durch das Siliziumsubstrat 12 fließt. Bei diesem Sperrstromfluß durch das Siliziumsubstrat 12 steigt seine Temperatur immer weiter an, bis nach der zweiten Periode der Wechselspannung ein Kurzschlußstrom durch das Siliziumsubstrat 12 Hießt, wie es ohne weiteres aus F i g. 2 ersichtlich ist.

Wenn der Kurzschlußstrom das Siliziumsubstrat 12 durchfließt, erreicht dieses eine solche Temperatur, daß die Schicht der eutektischen AI-AISi-Legierung 16 und die AI-Elektrodenschicht 18 an den beiden Hauptflächen des Siliziumsubstrats 12 auf Temperaturen über ihren jeweiligen Schmelzpunkten liegen und die am Unifangsrand des Siliziumsubstrats 12 befindlichen Teile der beiden Schichten 16 und 18 verdampfen. Bei dieser Verdampfung der beiden Schichten 16 und i8 entstehen heiße elektrische Lichtbogen zwischen dem Siliziumsubstrat 12 und der ersten bzw. oberen Elektrode 20 einerseits sowie der Tragplatte 14 am Umfaiigsrand des Siliziumsubstrats 12 andererseits, unter deren Linfluß sowoh! der Umfangsbereich des Siliziumsubstrats 12 als auch die benachbarten Abschnitte der ersten Elektrode 20 und der Tragplatte 14 schmelzen. Dabei bilden sich zahlreiche Schmelztröpfchen, die ihrerseits in den geschlossenen Hohlraum ausgetrieben werden. Gleichzeitig wird das diesen Hohlraum ausfüllende Inertgas in ein Plasma verwandelt so daß es sich plötzlich ausdehnt

Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 liegen die dünnen metallischen Ringscheiben 26 und 28 gegenüber dem durch die beiden Elektroden 20 und 22 sowie den isolierenden Hohlzyünder 24 usw. gebildeten Hohlraum frei. Diese dünnen metallischen Ringscheiben 26 und 28 kommen dabei mit dem Plasma des Füllgases in Berührung, so daß ihre Temperatur ansteigt, außerdem werden sie von den auftreffenden Schmelztröpfchen beaufschlagt Die in den Schmelztröpfchen enthaltene thermische Energie läßt dabei diese Bereiche der Ringscheiben 26 unü 28 ihren Schmelzpunkt erreichen. so daß die Schmelztröpfchen diese Ringscheiben durchschlagen können. Infolgedessen wird das Füllgas, das sich in der erwähnten Weise plötzlich ausgedehnt hat, dbiCh die von den Schmelztröpfchen gebildeten Löcher explosionsartig aus dem Halbleiterbauelement ausgetrieben, so daß die in Fig.2 dargestellten Durchbrüche entstehen.

Bei den bisherigen Flachgehäuse-Leistungshalbleiterbauelementen der in F i g. 1 gezeigten Art sind daher insofern unzulänglich, als die explosionsartig ausgetriebenen Schmelztröpfchen je nach der Lage der Anordnung schwere Zerstörungen hervorrufen können. Beispielsweise wurden Versuche mit einem Flachgehäuse-LeistungshalbleJterbau^Iement von der Bauart gemäß F i g. 1 durchgeführt und zwar mit einem Durchlaßstromstoß /^raAf von 35 000 A und einem Stromquadrat-Zeit-Produkt Pt von 5 ■ 10⁶A²S. Die Versuche ergaben, daß alle untersuchten Anordnungen einen Durchbruch bei einer angelegten Spannung von 1000 V, einem Kurzschlußstrcm von 170 kA und einem Stromquadrat-Zeh-Produkivon20 - 10⁶A²S erlitten.

Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement lassen sich die geschilderten Machteile von herkömmlichen Anordnungen der beschriebenen Art ausschalten. In Fig.4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Flachgehäuse-Leistungshalbleiterbauelementes dargestellt, die sich von derjenigen nach F Lg". 1 und 3 nur dadurch unterscheidet, daß die oberen und unteren Elektroden 20 bzw. 22 jeweils einen umlaufenden Flansch 34a bzw. 346 aufweisen, die radial nach außen vorstehen und praktisch bündig mit der betreffenden Stirnfläche des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 abschließen. Der Hohlzylinder 24 weist seinerseits einen radial nach innen gerichteten Vorsprung 36 auf. der vom Mittelbereich seines Innenumfanges nach innen vorsteht zwischen die Flansche 34a und 346 vorspringt und diese Flansche 34a und 34b unter Festlegung von vorgegebenen, gleichgroßen Abständen zu ihnen überlappt In jedem dieser Abstände bzw. Zwischenräume ist jeweils ein Ringelement 38 in Form einer metallischen Abschirmung mit U-förmigem Querschnitt unter der Wirkung ihrer Eigenelastizität derart mit Kraftschluß festgelegt, daß die offene Seite des U-förmigen Querschnitts dem Hohlzyünder 24 zugewandt ist Γ ie Ringelemente 38 verschließen dabei den Durchgang vom Halbleiterelement 10 zur Ringscheibe 26 bzw. 28. Das bedeutet, daß die Ringelemente 38 jeweils das Halbleiterelement 10 körperlich von den Ringscheiben 26 und 28 trennen.

Bei der Anordnung gemäß Fig.4 prallen die Schmelztröpfchen. die durch vom Umfangsrand des Halbleitersubstrats 12 ausgehende, heiße elektrische Lichtbogen gebildet werden, nur gegen die Flansche 34a und 346 bzw. den ringförmig umlaufenden Vorsprung 36. wie es mit Pfeilen in F i g. 4 angedeutet ist Auf diese Weise kann ein Auftreffen der Schmelztröpfchen gegen die Ringscheiben 26 und 28 verhindert werden, wobei verhindert wird, daß letztere einer unmittelbaren Berührung mit dem von den Lichtbogen stammenden Plasma des als Füllung vorgesehenen Inertgases ausgesetzt werden, weil die abschirmenden Ringelemente 38 sicher zwischen den Flanschen 34a und 346 der Elektroden 20 und 22 sowie dem umlaufenden Vorsprung 36 festgelegt sind.

Wenn der isolierende Hohlzylinder 24 eine hohe Wärmekapazität besitzt und die Flansche 34a und 346 mindestens 1 mm dick sind, wird die in den Schmelztröpfchen enthaltene thermische Energie auf die in Fig.4 mit gestrichelten Linien angedeutete Weise von den Innenbereichen der Elektroden 20 und 22 sowie des Hohlzylinders 24 absorbiert bis die Schmelztröpfchen unter Erstarrung an den Oberflächen der Elektroden 20 und 22 einschließlich ihrer Flansche 34a bzw. 34b und des isolierenden Hohlzylinders 24 einschließlich seines Vorsprunges 36 haften bleiben. Wenn die Schmelztröpfchen konzentrisch gegen diese Flansche 34a, 346 und den Vorsprung 36 prallen, führt dies zu ihrer Verschmelzung mit den Flanschen 34a, 346 und dem Vorsprung 36 aufgrund ihrer hohen thermischen Energie. Für diese Verschmelzung wird ein großer Teil der Wärmeenergie verbraucht und außerdem werden die beschleunigten Schmelztröpfchen an der Oberfläche der Flansche 34a, 346 sowie des Vorsprungs 36 augenblicklich abgebremst so daß die Schmelztropf-

eben daraufhin nicht mehr genügend Wärmeenergie enthalten, um die Ringscheiben 26 und 28 anzuschmelzen und zu durchbrechen. Außerdem kann nur ein kleiner Prozentsatz: der Schmelztröpfchen tatsächlich durch die Zwischenräume zwischen den Flanschen 34a, 34b und dem Vorsprung 36 des Hohlzylinders 24 hindurchtreten. Da diese Zwischenräume jedoch durch die abschirmenden Ringefemente 38 verschlossen sind, bleiben die Schmelztröpfchen, deren Wärmeenergie bereits ^genommen hat, unter Erstarrung an den Oberflächen dieser Ringelemente 38 haften.

Mit dem Halbleiterbauelement gemäß Fi g. 4 werden somit die eingangs geschilderten Nachteile bisheriger Anordnungen vermieden. Selbstverständlich ist der Rnigabstand zwischen der Innenumfangsfläche des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 und den Flanschen 34a, 346 der Elektroden 20 bzw. 22 sowohl durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Teilen als auch durch die Fertigungsgenauigkeit des Hohlzylinders 24 und der Elektroden 20 bzw. 24 mit ihren Flanschen 34a und 34b bestimmt Wenn die Elektroden 20, 22 jeweils aus Kupfer bestehen oder einen Durchmesser von 70 mm besitzen, kann der Zwischenraum einem radialen Abstand von 0,6 mm entsprechen. Der zwischen den Überlappungsabschnitten der Flansche 34a und 34b sowie dem Vorsprung 36 gebildete Zwischenraum bzw. Abstand wird durch das eingesetzte abschirmende Ringelement 38 bestimmt Vorzugsweise wird jedoch die Federkraft jedes Ringelementes 38 kleiner gewählt als diejenige der metallischen Ringscheiben 26 und 28, die mi' den Elektroden 20 bzw. 22 verbunden sind.

Das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 5 unterscheidet sich von dem gemäß F i g. 4 nur darin, daß die von den oberen und unteren Elektroden 20 bzw. 22 ausgehenden Flansche 34a und 34b die obere bzw. untere Stirnfläche des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 überlappen und gegenüber diesem vorgegebene Abstände bzw. Zwischenräume festlegen, wobei jeweils ein abschirmendes Ringelement 38 in diese Zwischenräume eingesetzt und der Vorsprung 36 gemäß F i g. 4 weggelassen ist

Die F i g. 6a bis 6e zeigen im Querschnitt verschiedene Formen von abschirmenden Ringelementen 38, die zwischen die Flansche 34a und 34b der Elektroden 20 bzw. 22 und die Stirnflächen bzw. den Vorsprung 36 des Hohlzylinders 24 einsetzbar sind. Das Ringelement 38 kann aus einem Federstahlblech, beispielsweise aus Silber-Nickel-Stahl, rostfreiem Stahl oder Kupfer-Nikkel-Stahl mit einer Dicke von 0,1 bis 03 mm hergestellt und anschließend so behandelt werden, daß das betreffende Ringelement Eigenelastizität besitzt Beispielsweise kann das aus einem geeigneten Federstahlblech bestehende Ringelement 38 gemäß Fig.6a einen viereckigen Querschnitt mit zwei parallelen Seiten und mindestens einer radial nach außen geneigten Seite besitzen. Wahlweise kann dieses Ringelement 38 gemäß Fig.6b einen U-förmigen Querschnitt oder gemäß Fig.6e einen hohlen kreisringförmigen Querschnitt besitzen. Andererseits ist es auch möglich, ein elastisches elektrisches Isoliermaterial, wie Silikongummi oder fluorhaltigen Gummi, in die Form gemäß Fig.6c mit einem vollen kreisförmigen Querschnitt oder gemäß Fig.6d mit einem quadratischen Querschnitt zu bringen. Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung eines Ringelementes 38 gemäß Fig.6b mit einer Dicke von 0,2 mm bei einem Stromquadrat-Zeit-Produkt von 8 · 10⁷ A²s oder darunter kein Durchbruch auftritt

Wie eingangs erwähnt, ist die Stromkapazität bzw. Strombelastbarkeit von Leistungs-Halbleiterbauelementen in letzter Zeit größer geworden, was mit großen Abmessungen einhergeht. Wenn das Halbleiterelement 10 gemäß Fig. 1 beispielsweise einen größten Durchmesser von 120 mm besitzt, muß es in einem Gehäuse mit einem Außendurchmesser von etwa 170 mm untergebracht werden. Infolgedessen besitzen die so

ίο hergestellten Halbleiterbauelemente ein Vergleichsweise hohes Gewicht. Die bisherigen Halbleiterbaüelerriertte von der Bauart gemäß Fig. 1 werfen somit folgende Probleme auf:
Das Halbleiterelement 10 mit einem maximalen Durchmesser von 40 mm muß in einem isolierenden Hohlzylinder 24 mit einem Gewicht von etwa 90 g untergebracht werden. Wenn der maximale Durchmesser des Halbleiterelementes 12 auf 120 mm vergrößert wird, erhöht sich das Gewicht des Hohlzylinders 24 auf goo g. Bei einem so schweren isolierenden Hohlzylinder 24 kann das Halbleiterbauelement, beispielsweise bei Verwendung in Fahrzeugen, über lange Zeiträume hinweg ständig mechanischen Längsschwingungen ausgesetzt sein. Unter diesen Bedingungen kann die den schweren Hohlzylinder 24 halternde flexible Ringscheibe 26 aufgrund der ständig auf sie einwirkenden Belastungen einen Ermüdungsbruch erleiden, so daß ihre Gasdichtigkeit verlorengeht Daraus ergibt sich der schwerwiegende Nachteil, daß sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements 10 allmählich verschlechtern, bis das Halbleiterbauelement mit einem solchen schlechter gewordenen Halbleiterelement 10 schließlich ausfällt

Versuche haben gezeigt, daß Halbleiterbauelemente mit einem einen größten Durchmesser von 40 mm besitzenden Halbleiterelement 10 von der Bauart gemäß F i g. 1 mechanischen Schwingungen mit einer Amplitude von 1,5 mm bei einer Frequenz von 60 Hz, mit einer Schwingungszahl von 80000 oder mehr zu widerstehen vermögen. Bei Vergrößerung des größten Durchmessers des Halbleiterelements 10 auf 120 mm wurde dagegen bei einer großen Anzahl von untersuchten Halbleiterbauelementen ein Bruch der flexiblen Ringscheibe 26 bei einer Schwingungszahl von bereits

« 12 000 bei sonst unveränderten Parametern festgestellt Die Betriebslebensdauer dieser zuletzt genannten Bauelemente beträgt somit nur etwa V₇ derjenigen der zuerst genannten, kleineren Bauelemente.

Wie im folgenden in Verbindung mit Fig.7 näher

erläutert ist, besitzen die erfindungsgemäßen Flachgehäuse-Halbleiterbauelemente auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen. Das Halbleiterbauelement gemäß Fig.7 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig.5 hauptsächlich

dadurch, daß in F i g. 7 das abschirmende Ringelement 38 zwischen dem zylindrischen Vorsprung 36 und den einzelnen Flanschen 34a bzw. 34i> der Elektroden 20 bzw. 22 angeordnet ist Das Ringelement 38 besteht dabei aus einem metallischen O-Ring, der handelsüblich ist und eine größere Eigenfederkraft besitzt als die flexible Ringscheibe 26. Bei dieser AusfühningsfosTn ist außerdem die flache Ringscheibe 28 durch eine andere der oberen Ringscheibe 26 ähnliche und ebenfalls mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnete, flexible Ringscheibe 26 ersetzt

Bei der Montage des Halbleiterbauelementes gemäß F i g. 7 wird zunächst die erste bzw. obere Elektrode 20 starr an der benachbarten oberen Stirnfläche des

elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 befestigt, indem die flexible Ringscheibe 26 mit der einen Randkante an der betreffenden Stirnfläche des Hohlzylinders 24 und mit der anderen Randkante an der Oberseite des Flansches 34a der oberen Elektrode 20 verbunden wird. Das flanschartige Flachteil 30 wird an der unteren Stirnfläche des Hohlzylinders 24 angebracht. Anschließend wird das als O-Ring ausgebildete Ringelement Ii in den Zwischenrau/n zwischen dem Flansch 34a und dem Vorsprung 36 eingesetzt. Zu diesem Zweck kann das Ringelement 38 längs einer seiner Radien aufgeschnitten werden, Nachdem zunächst eines der Schnittenden des als O-Ring ausgebildeten Ringelementes 38 in den Zwischenraum eingepreßt worden ist, wird sein anderer Endabschnitt zu seinem anderen Ende hin fortlaufend in den Zwischenraum hineingedrückt.

Anschließend wird das Halbleiterelement 10 an der freiliegenden Fläche der Elektrode 20 angeordnet, woraufhin das andere als O-Ring ausgebildete Ringelement 38 am Vorsprung 36 des Hohlzylinders 24 angebracht wird, an dessen unterer Stirnfläche das Flachteil 30 beispielsweise angelötet ist Die zweite Elektrode 22 mit der an ihrem Flansch 346 beispielsweise angelöteten, flexiblen Ringscheibe 26 wird hierauf am Halbleiterelement 10 angebracht Anschließend wird die Ringscheibe 26 in einer Inertgasatmosphäre durch Lichtbogen- oder Widerstandsschweißen luftdicht mit dem flanschartigen Flachteil 30 verbunden, so daß das Halbleiterbauelement fertig ist.

Bei dem Halbleiterbauelement gemäß F i g. 7 wird ein Druck von einigen Tonnen auf die beiden Elektroden 20 und 22 ausgeübt, um das Halbleiterelement 10 in Druckkontakt mit diesen Elektroden zu halten und die Ringelemente 38 elastisch zu verformen, so daß der Hohlzylinder 24 durch die beiden Elektroden 20 und 22 unter der durch die verformten Ringelemente 38 ausgeübten Federkraft festgehalten wird. Mit anderen Worten, der Hohlzylinder 24 wird durch die Ringelemente 38 indirekt an den Elektroden 20 und 22 gehalten, wobei die Ringelemente 38 außerdem das Halbleiterelement Ϊ0 körperlich bzw. räumlich von den jeweiligen flexiblen Ringscheiben 26 trennen. Wenn die Ringelemente 38 jeweils eine große Eigenelastizität bzw. Federkraft besitzen, während die von den Elektroden 20 und 22 abstehenden und mit den Ringelementen 38 in Berührung stehenden Flansche 34a bzw. 34b ausreichende Dicke besitzen, bildet das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 7 ersichtlich eine Konstruktion mit hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen.

Flachgehäuse-Halbleiterbauelemente von der Bauart gemäß Fig.7 wurden mit folgenden Abmessungen hergestellt: Gewicht des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 = 960 g; größter Durchmesser der Elektroden 20 und 22 mit den Flanschen 34a und 346 = 128 mm; radiale Überlappung zwischen den Flanschen 34a bzw. 346 und dem Vorsprung 36 des Hohlzylinders 24 = 4 mm; Dicke der Flansche 34a und 346 = 3 mm; Außendurchmesser des aus rostfreiem Stahlblech bestehenden Ringelementes 38 = 125 mm bei einer Wandstärke von 0,4 mm und einem Querschnittsdurchmesser von 3 mm.

Diese Halbleiterbauelemente wurden dann mit einem über die Elektroden 20 und 22 einwirkenden Druck von 4 Tonnen einer Schwingungsprüfung unter den oben angegebenen Bedingungen unterworfen. Bei diesen Versuchen ergab sich, daß die erfindungr^emäßen Halbleiterbauelemente ohne weiteres 80 000 Schwingungszyklen oder mehr auszuhalten vermochten. Das Halbleiterbauelement gemäß Fig.7 besitzt somit im Vergleich zu bisherigen Bauelementen gemäß F i g. 1 eine erheblich verbesserte Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen. Darüber hinaus ist auch die Explosionssicherheit ausgezeichnet.

Bei den Flachgehäuse-Halbleiterbauelementen, die sowohl hohe Explosionssicherheit als auch hohe Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen besitzen, können die mit den als O-Ringen ausgebildeten Ringelementen 38 in Berührung stehenden Flächen jedes Flansches 34a bzw. 346 vorteilhafterweise zum Ringelement 38 hin geneigt sein und gemäß F i g. 8 in die benachbarte Elektrodenumfangsfläche übergehen, um auf diese Weise die mechanische Festigkeit der Flansche 34a bzw. 346 zu erhöhen. Mit anderen Worten, der Flansch weist einen Schulterabschnitt auf. dessen Axialabmessung in Richtung auf seine Flanke allmählich zunimmt.

Das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 10 unterscheidet sich nur darin von demjenigen gemäß F i g. 7 bis 9. daß bei dem Bauelement gemäß Fig. 10 die Flansche 34a bzw. 346 der Elektroden 20 b/w. 22 unter Weglassung der Ringelemente 38 unmittelbar mit den flanschartigen Flachteilen 30 in Berührung stehen, die an der benachbarten Stirnfläche des Hohlzylinders 24 beispielsweise durch Hartlöten oder dergleichen befestigt sind. Jeder Flansch 34a, 346 ist in Richtung der Dicke des Halbleiterelemenrs 10 verformbar, wobei er eine Dicke von etwa I mm und eine Radialerstreckung bzw. eine Breite von 2 bis 3 mm besitzt.

Gemäß Fig. 10 stehen die Flansche 34a und 346 unmittelbar mit den Flachteilen 30 an den betreffenden Stirnflächen des Hohlzylinders 24 in Berührung, so daß sie einen Durchgang vom Halbleiterelement 10 zur betreffenden flexiblen Ringscheibe 26 verschließen. Das Halbleiterelement 10 ist auf diese Weise körperlich von den Ringscheiben 26 getrennt. Eine Dickenänderung des Halbleiterelements 10 wird mittels einer Verformung der Flansche 34a. 346 und der flexiblen Ringscheiben 26 aufgenommen, so daß sichergestellt wird, daß das Halbleiterelement 10 init beiden Elektroden 20 und 22 in inniger Berührung verbleibt.

Gemäß F i g. 11 ist der Hohlzylinder 24 an seinem in Radialrichtung inneren Umfangsabschnitt der oberen Stirnfläche mit einer durch eine eingestochene Nut gebildeten umlaufenden Stufe versehen. Diese Stufe steht mit dem Flansch 34a der ersten bzw. oberen Elektrode 20 in Druckkontakt. Dasselbe gilt auch für die untere Stirnfläche des Hohlzylinders 24 sowie den Flansch 346 der unteren Elektrode 22. Die dargestellte Ausführungsform kann im Vergleich zu derjenigen gemäß Fig. 10kleinere Abmessungen besitzen.

Gemäß Fig. 12 ist die Elektrode 20 von einer Stelle am Halbleiterelement 10 aus radial nach außen erweitert und an dieser Erweiterung mit einem umlaufenden, sich in Axialrichtung zu einer Spitze verjüngenden Vorsprung bzw. Flansch 34c versehen, der mit dem an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 beispielsweise angelöteten Flachteil 30 in Druckberührung steht. Dieser Flansch 34c kann jeden beliebigen, vom Querschnitt gemäß Fig. 12 abweichenden Querschnitt besitzen, solange er in Abhängigkeit von einem einen vorgegebenen Wert übersteigenden Druck verformbar ist.

Das Halbleiterbauelement gemäß F i g. 13 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 10 dadurch, daß bei ihm

die Flansche 34 η bzw. 346 der Elektroden 20 bzw. 22 mit den an den benachbarten Stirnflächen des Hohlzylinders 24 ?ngebrachten Flachteilen 30 über ein /.wischengefügtes, flaches Ringelement 38 in Andruckberührung stehen, das am einen Ende an der zugeordneten Hektrode 20 bzw. 22 anstößt. Dieses absperrende oder üDschirmende Ringelement 38 besteht aus einem metallischen Werkstoff, der nicht leicht elastisch verformbar ist und sowohl einen hohen Schmelzpunkt als auch eine hohe Verschmelzungstemperatur besitzt Beispiele für solche Werkstoffe sind Eisen, Nickel, Kupfer, Titan, Molybdän, Wolfram sowie Legierungen davon. Wahlweise kann das Ringelement 38 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehen, beispielsweise aus einer Tonerdemasse, wie Keramik oder Prozellan. Außerdem ist der Flansch 34a an der mit dem Ringelement 38 in Berührung stehenden Seite mit einer umlaufenden Ausnehmung versehen, so daß zwischen beiden Teilen ein Ringspalt 40 gebildet ist

Mit der Ausführungsform des Halbleiterbauelementes ge.Tiäß Fig. 13 wird durch die Einfügung des Ringelementes 38 eine bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 und 11 bestehende Gefahr ausgeschaltet, daß nämlich üie Flansche 34a und 346 schmelzen können, weil sie geschwächt sind, so daß sie in Richtung der Dicke des Hp'bleiterelementes 10 verformbar sind. Durch die Anordnung des Ringspalts 40 wird außerdem gewährleistet, daß das Halbleiterelement 10 mit den beiden Hauptelektroden 20 und 22 in Druckberührung verbleibt Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine auf irgendeinem Grunde beruhende Dickenabweichung des Halbleiterelements 10 dadurch kompensiert werden kani. daß sich das Ringelement 38 bei der Verformung der beiden Ringscheiben 26 und der Flansche 34a und 34b der Elektroden 20 bzw. 22 in den Ringspalt 40 hinein verlagern kann. Diese Ausführungsform gemäß F i g. 13 bietet somit den Vorteil, daß das Ringelement 38 aus einem beliebigen, nicht leicht verformbaren Werkstoff hergestellt werden kann.

Zur Verdeutlichung der Exj/losionssicherheit des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements wurde ein Explosionsversuch mit zwei Gruppen von Flachgehäuse-Halbleiterbauelementen durchgeführt, die ein Halbleiterelement aus einem Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Dicke von 0,6 mm aufweisen. Die eine Gruppe entsprach dem Halbleiterbauelement gemäß F i g. 1, während die andere Gruppe den Aufbau des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 13 besaß.

Bei den Explosionsversuchen mittels eines Kurzschlußstromes explodierten die Halbleiterbauelemente mit dem Aufbau gemäß F i g. 1 bei einem Stromquadrat-Zeit-Produkt Pt von 20-10⁶A²S oder weniger, während die andere Gruppe von Halbleiterbauelementen mit dem Aufbau gemäB Fig. 13, bei dem das abschirmende Ringelement 38 aur Nickel- oder Titanblech mit einer Dicke von etwa 1 mm vorgesehen ist, auch bei einem Stromquadrat-Zeit-Produkt von 55 · IG⁵ A²S noch nicht explodierte.

Außerdem wurde ein Bruchversuch mit den beiden Gruppen von Flachgehäuse-Halbleiterbauelementen durchgeführt, indem Durchbruch-Kurzschlußströme von 50, 100 und 165 kA durch sie hindurchgeleitet wurden. Dabei wurde festgestellt, daß die zweite Gruppe von Halbleiterbauelementen gemäß Fig. 13 eine um das 5fache höhere Bruchfestigkeit besitzt als die erste Gruppe von Halbleiterbauelementen mit dem Aufbau gemäß F i g. 1.

3ei dem Halbleiterbauelement gemäß F i g. 14 ist der Flansch 34a der Elektrode 20 gemäß F i g. 11 durch dtn mit dem abschirmenden Ringelement 38 unterlegten Flansch 34a ersetzt wobei ein Ringspalt 40 von der Bauart gemäß F i g. 13 gebildet wird.

Bei der Ausführungsform des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 15 ist ein abschirmendes Ringelement 38 mit quadratischem Querschnitt auf die umlaufende Stufe an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 gemäß Fig. IT aufgesetzt, wobei es mit der zum Halbleiterelement 10 hin abgeschrägten Außenumfangsfläche dieses Flansches 34^ in Druckberührung steht Eine Dickenabweichung des Halbleiterelements 10 kann mittels Verformung der abgeschrägten Umfangsfläche des Flansches 34a und das abschirmende Ringelement 38 kompensiert werden. Ähnlich wie bei den Halbleiterbauelementen gemäß Fig 11 können die Halbleiterbauelemente gemäß den Fig. 14 und 15 im Vergleich zu der Anordnung gemäß Fig. 13 kleine Abmessungen besitzen.

Bei der Ausführungsform des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 16 wird der axial verlaufende Vorsprung bzw. Flansch 34cder Elektrode 20 gemäß Fig. 12 über das Flachteil 30 in Druckberührung mit dem abschirmende.i Ringelement 38 an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 gehalten, wobei die Innenumfangsfläche des Ringelementes am Außenumfang der Elektrode 20 selbst anliegt Die Anordnung des Halbleiterbauelements gemäß F i g. 16 ist auch auf die Ausführungsform gemäß F i g. 14 anwendbar.

Es ist klar, daß spiegelbildliche Umkehrungen der Anordnungen der Halbleiterbauelemente gemäß Fig. 14 bis 16 auch bei den zweiten Elektroden 22 der Halbleiterbauelemente gemäß Fig.8, 9, 11 und 12 eingesetzt werden können.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem elektrisch isolierenden Hohlzylinder, der ein Halbleiterelement unter Bildung eines Ringraumes umschließt, mit zwei einander gegenüberliegenden zylindrischen Elektroden, zwischen denen das Halbleiterelement eingefügt ist, wobei die Elektroden über dünne metallische Ringscheiben mit den stirnseitigen Enden des Hohlzylinders luftdicht verbunden sind, und mit je einem von jeder Elektrode radial nach außen abstehenden Flansch, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (24) in radialer Richtung nach innen zwischen die Flansche (34a 346^ vorspringt und diese überlappt

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (24) einen an seiner Innenfläche ringförmig umlaufenden Vorsprung (36) aufweist

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Flansch (34a, &-b) und dem Hohlzylinder (24) je ein Ringelement (38) eingefügt ist, welches das Halbleiterelement (10) gegenüber der jeweils benachbarten Ringscheibe (26,28) räumlich trennt

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Ringelementes (38) ein Metall ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das Ringelement (38) ein O-Ring ist

6. Halbleil -!-bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß jeder der Flansche (34a, 34b) mit dem isolierenden J-Ohlzylinder (24) in Berührung steht und das Halbleiterelement (10) räumlich gegenüber der jevvei's benachbarten Ringscheibe (26) trennt

7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Vorsprung (36) am Hohlzylinder (24) durch teilweise Materialabtragung an den Enden des Hohlzylinders (24) gebildet wird.