DE2945972A1 - Halbleiterbaueinheit mit einer oberen kammer zur erhoehung der festigkeit und zum abdichten - Google Patents

Halbleiterbaueinheit mit einer oberen kammer zur erhoehung der festigkeit und zum abdichten

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Description

T.EDTKE - BüHL.NG - K.NNE Grupe - Pellmann
- 6 Λ-q / c q η j Dipl.-Ing. P Grupe £, 3 *♦ Ό V f A
Dipl.-lng. B. Pellmann
Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2
Tel.: 089-539653
Telex: 5-24 845 tipat
cable: Germaniapatent München
14. November 1979
DE 0008 /case 36-SP-l 162-Fichot et al
General Electric Company
Schenectady, N.Y. 12305, U.S.A.
Halbleiterbaueinheit mit einer oberen
Kammer zur Erhöhung der Festigkeit und zum Abdichten
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Baueinheiten bzw. Packungen für Halbleiteranordnungen und im besonderen auf Packungen für Halbleiteranordnungen mit relativ hoher Leistung, die eine das Halbleiterelement umgebende Kammer aufweisen, welche mit einem wählbaren Medium gefüllt ist.
Mit den ständig zunehmenden verschiedenartigsten Anwendungsfällen für Halbleiteranordnungen ist es notwendig geworden, die Ausführung der Baueinheiten, bzw. die Packungstechnik zu verbessern. Viele der Eigenschaften der herkömmlichen Halbleiteranordnungen werden von der Notwendigkeit, die Packungsausführung zu berücksichtigen, bestimmt oder begrenzt. Gegenwärtige Halbleiteranordnungen weisen gewöhnlich ein oder mehrere Halbleiterelemente auf. Diese Elemente, häufig sehr kleine HaIbleiter-Mikroplättchen oder Tabletten, sind ziemlich zerbrechliche Einkristallkörper. Sie sind empfindlich gegen-
ix/rs 030023/0648
Uculsche Hank (Munchenl KIo 51/61070 dresdner Bank (München) KIo 3939844 Posischeck (Münchenl Kto. 670-43-804
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' über Umgebungseinflüssen und erfordern elektrische und wärmeleitende Verbindungen für das Anlegen elektrischer Signale und für die Wärmeabfuhr. Es ist eine Vielzahl von Baueinheiten bzw. Packungen für solche Halbleiterelemente bekannt.
Es gibt Ausführungen mit extrem niedrigem Preis und einfacher Packungsgestaltung, die lediglich eine Keramikplatte mit einem einfachen metallenen Muster darauf aufweisen, auf das ein Halbleiterelement befestigt ist, wie
(R)
z. B. bei der SUBSCRETEv -Halbleiteranordnung, die von General Electric Company hergestellt wird, bis zu massiv und komplex ausgeführten Packungen, die Halbleiteranordnungen für extrem hohe Spannung und hohen Strom beinhalten.
'5 Bestimmte Packungserfordernisse überstreichen einen weiten Bereich von bestimmten Klassen der Anordnungen. Die Halbleiterelemente müssen physikalisch abgestützt werden, um physikalischen Beanspruchungen standzuhalten. Das Halbleiterelement muß seiner Anwendung entsprechend gegen Verunreinigungen durch seine Betriebsumgebung geschützt werden. Die Packung muß ausreichend fest sein, um äußerer Beanspruchung zu widerstehen. Die Packung muß über eine ausreichende Fähigkeit zur Wärmeabfuhr verfugen, um einen stabilen Betrieb der Anordnung über ihren Betriebstemperaturbereich zu gewährleisten. Die Packung muß die Anordnung während der Temperaturzyklen schützen, die sich aus der Betriebsumgebung ergeben oder der betriebsmäßigen Aufheizung der Anordnung selbst entstehen. Die Packung selbst darf keine gefährlichen Störungen für eine
Anordnung, wie z. B. eine Explosion, herbeiführen.
Typische Ausführungen wurden derart gestaltet, daß ein Halbleiterelement auf einem Kühlkörper befestigt wurde und eine oder mehrere Verbindungsleitungen zum Element
angebracht wurden. Dabei dient in einigen Fällen der Kühlkörper als elektrische Verbindung und schließt das Element und zumindest einen Teil der Verbindungsleitungen und des Kühlkörpers in ein gegen die Umgebung undurch-
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] lässiges Material ein. Diese Ausführung der Baueinheit bzw. Packung hat zwar in einem weiten Bereich von Anwendungen zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt; sie unterliegt jedoch einigen oder allen oben geschilderten Nachteilen. Häufig ist die Wärmedehnzahl des einschließenden Materials verschieden von der des Halbleiterelementes, wodurch beim Erwärmen oder Abkühlen physikalische Beanspruchungen auf die Anordnung einwirken. So könnte die Anordnung z. B. dadurch versagen, daß das einschließende Material durch schnelle unterschiedliche Ausdehnung des Halbleiterelementes oder einer der Zwischenschichten, die es mit dem Kühlkörper verbinden, reißen oder brechen kann. Abhängig von der Beschaffenheit des einschließenden Materials kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Verschmutzung der Tablette ein Problem sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Halbleiterbaueinheit bzw. -packung zu schaffen, die für die Unterbringung sowohl von einzelnen Halbleiterelementen als auch Mehrelement-Anordnungen geeignet ist und dem Auftreten aller beschriebenen Probleme vorbeugt.
Durch die erfindungsgemäße Halbleiterpackung wird erreicht, daß durch die Packung extrem niedrige Beanspruchungen auf das Halbleiterelement wirken.
Darüber hinaus wird eine Verschmutzung des Halbleiterelements durch das Packungsmaterial praktisch ausgeschlossen.
Des weiteren wird eine physikalisch feste Baueinheit bzw. Packung geschaffen, bei der nur geringe Beanspruchungen auf das Halbleiterelement wirken.
Zudem wird eine ausgesprochen gute Temperaturstabilität und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturzyklen geschaffen. Darüber hinaus kann eine verbesserte
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Sperrstabilität eines Halbleiterelements erwartet werden, wenn die erfindungsgemäße Packung verwendet wird.
Beanspruchungen des Halbleiterelements bei der Herstellung der Baueinheit werden praktisch ausgeschlossen.
Kurz gesagt wird gemäß einer Eigenschaft der Erfindung eine Halbleiterpackung geschaffen, die einen Grundkörper aufweist, der ein passender Kühlkörper sein kann, auf dem ein Halbleiterelement befestigt ist. Der Grundkörper kann elektrisch leitend oder isolierend sein und das Halbleiterelement kann daran entweder elektrisch leitend oder wärmeleitend und elektrisch isoliert befestigt sein. Eine elektrisch isolierende Kapselung bildet im Zusammenwirken mit dem Grundkörper eine hermetisch abgedichtete Kammer, die das Halbleiterelement oder die Elemente einschließt. Die isolierende Kapselung kann in geeigneter Weise mit einem Kleber oder anders am Grundkörper befestigt sein, um den gewünschten Dichtigkeitsgrad zu erreichen. Die isolierende Kapselung weist einen schachtähnlich vertieften Abschnitt auf, der durch eine erste Trennwand von der das Halbleiterelement oder die Elemente einschließenden Kammer abgetrennt ist. Eine oder mehrere elektrische Anschlüsse ragen durch die Trennwand, um das Halbleiterelement und, wo gewünscht, den Kühlkörper anschließen zu können. Darüber hinaus ragt zumindest ein Rohr oder ähnliches durch das Gehäuse für die Evakuierung und das Wiederfüllen der Kammer mit einem wählbaren Medium. Erfindungs-
3v gemäß kann dieses Rohr mit einer der durch die Trennwand ragenden elektrischen Verbindungen kombiniert sein. Die die elektrischen Verbindungsvorrichtungen umgebende schachtförmige öffnung wird mit einem Dichtungsmaterial gefüllt, welches sowohl die mechanische Festigkeit der
OJ Baueinheit bzw. Packung erhöht als auch die Abdichtung der Trennwand bewirkt, um die leckdichte Eigenschaft der die Halbleiterelemente einschließenden Kammer sicherzustellen.
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Die Erfindung betrifft eine Vielzahl von Halbleiterpackungen. Zum Beispiel kann gemäß der Lehre der Erfindung eine Halbleiterpackung gebildet werden, die ein einzelnes Halbleiterelement/ wie z. B. eine Diode/ einen Transistor oder einenThyristor, aufweist, und einen elektrisch und wärmeleitenden Gewindezapfen sowie eine mehr oder weniger flexible Drahtleitung für zumindest zwei elektrische Verbindungen zum Halbleiterelement besitzt. Weist eine solche Anordnung eine Leitung niedriger Leistung für eine Steuerelektrode bzw. ein Gate oder eine Basis oder ähnliches, auf, so kann diese Leitung in geeigneter Weise mit der beschriebenen rohrförmigen Einrichtung kombiniert sein. Die Erfindung betrifft ebenfalls Mehrelement-Halbleiterpackungen, die in zunehmendem Maße für Motorsteuerungen und ähnlichem Verwendung finden. Diese Packungen können zwei oder mehrere Halbleiterelemente aufweisen, die Dioden, Thyristoren oder ähnliche sein können und wärmeleitend gemeinsam mit einem Grundkörper verbunden sind. Durch die Trennwand wird eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen zu den Halbleiteranordnungen hergestellt. Häufig werden weitere Verbindungen zwischen den Halbleiterelementen innerhalb der abgeschlossenen Kammer hergestellt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
30
Fig. 1 ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,
Fig. 2 ein Bild eines Isoliergehäuses für die
Verwendung bei ,einer Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung,
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Fig. 3 ein Bild eines erfindungsgemäßen
Isoliergehäuses für eine Mehrelement-Halbleiterbaueinheit ,
Fig. 4 und 5 Bilder von erfindungsgemäßen Mehrelement-Halbleiteranordnungen, und
Fig. 6 ein Bild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles für höhere
Spannung.
Die Darstellungen gemäß den Fig. 1 und 2 dienen der Erläuterung der Halbleiterbaueinheit. Eine Halbleiterbaueinheit bzw. -packung 10 weist einen Grundkörper 12 für die Kühlung und den Zusammenbau auf, der geeigneterweise ein einzelnes Kupferstück mit einem Außengewindeabschnitt 14 und einem Sockelteil bzw. Sockel 16 sein kann. Der Sockel 16!besitzt einen etwas größeren Durchmesser als der Gewindeabschnitt 14 und ist mit einer Anzahl von Flächen versehen, die dem Festziehen mit einem Schraubenschlüssel dienen. Der Grundkörper 12 ist zum Zwecke der guten elektrischen Leitfähigkeit und der wirksamen Wärmeabfuhr vom Halbleiterelement vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Falls gewünscht, können alternativ dazu Materialien wie Stahl oder Aluminium Verwendung finden. Eine Halbleiteruntergruppe 18 ist an einer Fläche 20 des Sockels 16, z. B. durch Anlöten, befestigt. Die Halbleiteruntergruppe 18 weist ein Halbleiter-Mikroplättchen 22 auf, das auf einer Unterlageplatte 24 befestigt ist, um die durch thermische Fehlanpassung erzeugten Beanspruchungen zwischen dem Halbleiterelement 22 und dem Sockel 16 zu mildern, üblicherweise wird die Unterlageplatte 24 in Wolfram, Molybdän oder einer Materialzusam-
3~> mensetzung, z. B. geripptes Kupfer, ausgeführt, deren Wärmedehnungs-Eigenschaften denen des Halbleiterelements ähnlich sind. Die Unterlageplatte 24 gewährleistet einen
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elektrischen und einen wärmeleitenden Kontakt zu einer Hauptfläche des Halbleiter-Mikroplättchens 22. Zur entgegengesetzten Fläche des Halbleiterelementes wird der elektrische Kontakt durch eine Unterlegscheibe 26 und flexible Drahtverbindungen 28 und 60 hergestellt, üblicherweise kontaktiert die Unterlegscheibe 26 den Emitter oder die Kathode eines Transistors bzw. eines Thyristors, während die Verbindungsleitung 28 die Basis bzw. die Steuerelektrode, d. h., das Gate kontaktiert. Ein in den beiden Fig. 1 und 2 gezeigtes Gehäuse 30 umschließt die Halbleiteruntergruppe 18. Gemäß Fig. 2 weist das Gehäuse 30 einen zylindrischen Hülsenabschnitt 32 mit einem oberen und einem unteren offenen Rand 34 bzw. 36 sowie eine Trennwand 38 zwischen den offenen Rändern auf, die den Hülsenabschnitt 32 in einen oberen und einen unteren offenen Raum aufteilt. Da das Gehäuse 30 auf dem Sockel 16 des Grundkörpers 12 befestigt wird, schließt es die Halbleiteruntergruppe 18 in einer Kammer 40 ein. Vorzugsweise weist der Sockel 16 des Grundkörpers 12 eine ringförmige Ver-
tiefung 42 auf, in die ein unterer Rand 44 d(\s offenen Randes 36 eingefügt wird. Eine Klebstoffschicht 46 verbindet das Gehäuse 30 mit dem Sockel 16. Das Gehäuse 30 und der Sockel 16 bilden im Zusammenwirken die Kammer 40, die gegenüber ihrer Umgebung hermetisch abgedichtet ist. Unter
" hermetisch abgedichtet" wird hier verstanden, daß die Leckrate der Kammer 40 nicht größer ist als ungefähr 10 cem/s in Helium. Um das Maß der Dichtigkeit zwischen dem Gehäuse 30 und dem Grundkörper 12 zu erhöhen, ist der untere Rand des Gehäuses 30 mit einer kreisförmigen Nut 48 versehen, wodurch ein stufenförmiger Querschnitt des unteren Randes entsteht • was zu einer vergrößerten dem Klebstoff ausgesetzten Fläche führt. Obzwar eine Vielzahl von verschiedenen Klebstoffen benutzt werden kann, hat es sich gezeigt, daß der von Epoxy Technology
Corporation, Canton, Massachusetts, hergestellte Klebstoff EPO-TEK H77 eine Dichtung gewährleistet, die den Anforderungen der Halbleiterbaueinheit in jeder Hinsicht
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genügt. Für das Gehäuse 30 kann eine Vielzahl von Materialien Verwendung finden. Die Anforderungen an das Gehäuse 30 sind, daß es eine ausreichend niedrige Permeabilität besitzt, daß die umgebende Atmosphäre nicht die Kammer 40 verunreinigt und daß es genügend mechanische Festigkeit besitzt, um die besonderen Betriebsbedingungen zu überstehen, welchen die Anordnung ausgesetzt wird. Darüber hinaus sollte es in seiner Wärmedehnungs-Eigenschaft an die des Sockels 16 angepaßt sein, um die Beanspruchungen zu minimieren, die aus Temperaturzyklen resultieren. Im allgemeinen werden bei der Halbleiterbaueinheit vornehmlich Kunstharze mit hohem Glasgehalt verwendet. Beispiele solcher Kunstharze sind PPS, Polyphenylensulfid von Phillip's Chemical Corporation, GE-Polyester von General Electric Company und eine Anzahl von Phenolmaterialien von Durex Phenolic. Darüber hinaus können für bestimmte Anwendungserfordernisse weitere teurere Materialien eingesetzt werden. Zum Beispiel kann jedes einer Anzahl der elektrisch isolierenden Keramikmaterialien, welche häufig für Halbleiter-Baueinheiten eingesetzt werden, Verwendung finden. Tonerde und Beryllerde können hier als Beispiele für Materialien mit hoher dielektrischer Festigkeit angeführt werden. Während die für das Gehäuse 30 erforderliche, spezielle dielektrische Festigkeit von der Nennspannung der Anordnung abhängt, soll vorzugsweise ein Material ausgewählt werden mit einer dielektrischen Festigkeit von 15 bis 20 kv/mm.
Das Gehäuse 30 ist mit einer ersten und einer zweiten Öffnung 50 und 52 für die Aufnahme von elektrischen Verbindungseinrichtungen 53 und 5 4 ausgestattet. Die Verbindungseinrichtung 53 kann vorzugsweise eine elektrisch leitende Hülse, z. B. aus Kupfer, und so ausge-
führt sein, daß sie eine äußere flexible Leitung 56, die durch Krimpfen befestigt werden kann, und von der anderen Seite die Leitung 60 aufnehmen kann. Es ist
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ebenso möglich, daß die Verbindungsleitungen 56 und 60 alternativ zum Krimpfen bzw. zusätzlich gelötet und/ oder geschweißt, hartgelötet oder ähnlich behandelt werden. Die Hülse 53 weist eine Sperrwand 64 auf, die zwei offene Seiten 58 und 62 der Hülse daran hindert, eine Verbindung der Kammer 40 mit der Umgebung herzustellen. In gleicher Weise nimmt die Hülse 54 die Gate-Leitung 28 auf, bei der eine elektrische Verbindung durch Krimpfen der Hülse 54 an einer oder an mehreren Stellen hergestellt wird, was im folgenden näher erläutert wird.
Die Halbleiterbaueinheit hat die Eigenschaft, daß die Hülse 54 die Doppelfunktion hat, die Herstellung des elektrisehen Kontaktes zu einem Gate-Anschluß 66 des Halbleiter-Mikroplättchens bzw. Halbleiterelementes 22 zu gewährleisten sowie das Evakuieren der Kammer 40 und ihr Wiederauffüllen mit einem geeigneten Gas zu ermöglichen. Alternativ dazu können zwei Hülsen vorgesehen werden, wobei dann eine erste Hülse die einzige Funktion hat, die elektrische Verbindung zu dem Halbleiterelement herzustellen und eine zweite Hülse ausschließlich der Evakuierung und Wiederfüllung der gedichteten Kammer dient. Die Öffnungen 50 und 52 in der Trennwand 38 sind vorzugsweise mit kreisförmigen Nuten 70 und 72 versehen, die die Hülsen 54 und 53 umgeben. Diese Nuten verbessern die Dichtungswirkung des Dichtungsmaterials 74, das in die obere Kammer 38 des Gehäuses 30 eingebracht wird, zwischen den zwei Hülsen und dem Gehäuse 30. Das Dichtungsmaterial 74 kann aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden, welche sowohl die Funktion der Dichtung der Grenzflächen zwischen den Hülsen 53 und 54 und dem Gehäuse 30 erfüllen als auch die mechanische Festigkeit der zusammengefügten Baueinheit zusätzlich
erhöhen. Bei der Wahl des Dichtungsmaterials 74 sollte auf gute Wärmedehnungs-Kompatibilität mit dem Gehäuse 30 und den Hülsen 5 3 und 5 4 geachtet werden. Darüber hinaus
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ist eine geringe mechanische Flexibilität wünschenswert, um sowohl die Hülsen 53 und 54 fest abzustützen als auch widerstandsfähig gegen Reißen während der Handhabung und des Betriebs zu sein. Es empfiehlt sich die Verwendung eines Epoxy-Klebstoffs, der auch für die Abdichtung zwischen dem unteren Rand des Gehäuses 30 und dem Sockel 16 eingesetzt wurde. Es ist wünschenswert, daß das Dichtungsmaterial 74 zum Zwecke der Vergießbarkeit eine relativ niedrige Viskosität besitzt. Zum Beispiel kann Epoxidharz mit einer Viskosität von ungefähr 100 Pas vorteilhaft verwendet werden.
Ein besonderer Vorteil der Halbleiterbaueinheit liegt in der Schaffung einer Packung, die ausgesprochen widerstandsfähig gegen physikalische Fehlbehandlung während der Herstellung, der Handhabung und des Betriebes ist. Das Dichtungsmaterial 74 erzeugt sowohl eine Dichtung als auch eine Verstärkung der mechanischen Verbindung zwischen dem Gehäuse 30 und den Hülsen 53 und 54. Häufig werden während des Zusammenbaus und darauffolgend große Beanspruchungen auf die Grenzfläche zwischen dem Gehäuse und der Hülse 53 ausgeübt, z. B. dadurch, daß die Baueinheiten an den Verbindungsleitungen angehoben werden. Die Verstärkung durch das Dichtungsmaterial 74 gewähr-
" leistet, daß diese Beanspruchungen ausgehalten werden, ohne die Baueinheit zu beschädigen.
Es gehört zu den Vorteilen der Baueinheit 10, daß
infolge der Packung mechanische Beanspruchungen des
Halbleiterelementes 22 gegenüber herkömmlichen Baueinheiten vergleichbarer Stärke wesentlich reduziert werden. Insbesondere gibt es keine feste mechanische Verbindung zwischen dem Halbleiterelement 22 und dem Gehäuse 30. Die elektrische Verbindung wird vorzugsweise übor die flexible Leitung 60 hergestellt und nicht durch ein festes Verbindungsglied, wie es bisher üblich war. Die mechanische Isolation des Halbleiterelements 22 von dem Gehäuse 30 wird ohne irgendeine Herabsetzung der
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Festigkeit des Gehäuse erreicht. Die physikalische Festigkeit des Gehäuses 30 wird durch das Vorhandensein des Dichtungsmaterials 7 4 in der oberen Kammer 38 des Gehäuses vergrößert. Die Hülsen 53 und 54 sind deshalb ausgesprochen fest mit dem Gehäuse 30 verbunden. Diese einzigartige Kombination einer mechanischen Isolation des Halbleiterelements von dem Gehäuse mit der hohen physikalischen Festigkeit des Gehäuses selbst führt zu einer wichtigen Verbesserung der Betriebsweise der Baueinheit, insbesondere während der Temperaturzyklen und der Handhabung.
Einige der Vorteile der Halbleiterbaueinheit werden von der Art und Weise ihres Zusammenbaus abgeleitet.
Es ist bekannt, daß während des Zusammenfügens von Kunstharz komponenten bestimmte Erwärmungsschritte erforderlich sind, um die Materialien auszuhärten. Beispielsweise werden Epoxid-Klebstoffe vorzugsweise bei etwas erhöhter Temperatur ausgehärtet, um ihre besten Eigenschaften zu erzielen. Während dieser Aushärtung entwickeln die ausgehärteten Materialien Gase, welche für bestimmte Halbleitermaterialien schädlich sind. Bisher kamen dort, wo Halbleiterelemente direkt verkapselt wurden, d. h. wo das Kapselmaterial mit dem Halbleiterelement in Kontakt trat, diese Schadstoffe während des Betriebes mit den Halbleiterelementen in Kontakt und beeinträchtigten den Betrieb der Baueinheit als Ganzes. Bei den Ausführungsbeispielen folgt auf die Entwicklung solcher Gase durch
die bei dem Zusammenbau verwendeten Materialien und auf on
die Aushärtung die Evakuierung und/oder die Reinigung der gedichteten Kammer 40 und deren Wiederauffüllung mit einem Gas, das hinsichtlich dem Halbleiterelement inert ist, wie z. B. Stickstoff. Auf diese Weise werden die schädlichen Auswirkungen der durch das Gasen der
eingesetzten Kunstharze ebenso wie die von den für die Bildung der Halbleiteruntergruppe selbst verwendeten Materialien erzeugten Schadstoffe weitgehend vermieden.
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Des weiteren wird durch die Füllung der Kammer 40 mit einem geeigneten Gas eine Verbesserung der Stabilität des Halbleiterelements erzielt. Obwohl nicht ausgesprochen inert, ist Stickstoff jedoch zumindest hinsichtlieh den meisten für den Aufbau von Halbleiterelementen verwendeten Materialien inert, wie z. B. Silicium, Germanium und den Verbindungen der Gruppen III bis V des Periodensystems der Elemente. Vorzugsweise werden bei den Ausführungsbeispielen, wo dies mit den speziellen verwendeten Materialien verträglich ist, die in Verbindung mit den Klebstoffen und Dichtungsmaterialien erforderlichen Aushärtungsschritte bei einer Temperatur durchgeführt, die zumindest gleich der erwarteten Betriebstemperatur der Baueinheit ist, so daß während des Betriebes kein weiteres Gasen und keine daraus resultierende Verschmutzung der Baueinheit auftreten wird.
Es ist vorteilhaft, daß bei Auftreten einer Störung und durch diese Störung verursachten Brechens oder Reißern, wie dies bei vorübergehender überlastung geschehen kann, eine solche Störung sich nicht direkt auf die Unversehrtheit der Packung als Ganzes auswirkt, wie es in dem Fall zu erwarten ist, in dem die Packung in direktem Kontakt mit der Halbleiteranordnung steht, wie im Falle der fest verkapselten Baueinheiten. Das heißt, sollte ein Abschnitt der Halbleiteruntergruppe zerbrechen, oder ähnliches, so bleibt das Gehäuse 30 und der Sockel 16 intakt, wodurch jede weitere Gefährdung minimiert wird.
3® Während allgemein anerkannt ist, daß es vorteilhaft ist, die Kammer 40 mit einem Gas bei einem Druck wiederzufüllen, der im wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck ist, in welchem die Halbleiterbaueinheit betrieben wird, ist es einzusehen, daß bestimmte spezielle Anwendungen
die Nutzung anderer Techniken nahelegen. Es ist z. B. möglich, in der Kammer 40 einen Unterdruck zu schaffen,
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dessen Betrag nur durch die Auswahl der Materialien für das Gehäuse 30, den Klebstoff 42, die Dichtungsschicht 74 und die Hülsen 53 und 54 bestimmt wird. In gleicher Weise kann, wo es besonders wichtig ist, das Eindringen auch der geringsten Menge der umgebenden Atmosphäre in die Kammer 40 zu vermeiden, ein überdruck relativ zur Umgebung wünschenswert sein. Dies wird natürlich zu einem weiteren Zunehmen der Druckdifferenz führen, wenn die Halbleiterbaueinheit erwärmt wird.
Es gehört zu den Vorteilen der Ausführungsbeispiele, daß die Betriebseigenschaften der Halbleiterelemente durch die Packung verbessert werden. Da die Beanspruchungen des Ilalbleiterelements 22 durch die Packung selbst im wesentlichen ausgeschlossen sind, ist das Halbleiterelement gegenüber Temperaturspielen ausgesprochen unempfindlich. Die Stabilität der Sperrspannungseigenschaften der Baueinheit wird besonders verbessert. Die Lebensdauer der Baueinheit kann ebenfalls vergrößert werden, da Verschmutzungen durch die für die Bildung der Packung verwendeten Materialien die Halbleiteranordnung selbst nicht erreichen können.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem Mehrfach-Halbleiterelemente durch eine einzige Packung eingeschlossen werden. Fig. 3 ist eine räumliche Darstellung eines Isoliergehäuses 80. Die Fig. 4 und 5 sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Halbleiteranordnung mit zwei Halbleiterelementen ^ in einer Baueinheit bzw. Packung, die über eine beträchtliche Stromtragfähigkeit verfügt.
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' Das Gehäuse 80 gemäß Fig. 3 weist einen etwas komplexeren Aufbau auf als das Gehäuse 30 gemäß Fig. 1; es hat jedoch die gleichen wesentlichen Elemente. Ein rechteckiger Hülsenabschnitt wird durch senkrechte Wände 82, 84, 86 und 88 begrenzt und durch eine Trennwand 90 in einen oberen und einen unteren Raum aufgeteilt. Eine Vielzahl von Öffnungen 92, 94, 96, 98 und 100 dienen dem Einfügen von elektrischen Anschlüssen. Das Gehäuse 80 verfügt über Befestigungsflansche 102 und 104, welche '^ sowohl Flächen für die verstärkte Befestigung an einen Kühlsockel 110 als auch Vorrichtungen für die Montage der Baueinheit an einen externen Wärmetauscher aufweisen. Löcher 106 und 108 befinden sich zu diesem Zweck in den
Flanschen.
15
Das Zusammenwirken des Gehäuses 80 mit den verbleibenden Komponenten der Mehrfachelement-Halbleiterbaueinheit wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 erläutert. Der Kühlsockel bzw. Grundkörper 110 wird mit Hilfe einer
Klebefläche 112, welche den Grundkörper 110 vollkommen umgibt, am Gehäuse 80 befestigt. Der besondere Klebstoff, welcher ausgewählt wird, um das Gehäuse an dem Kühlsockel zu befestigen, wird bestimmt durch die geforderten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit und
Dichtigkeit. Der erwähnte Klebstoff EPO-TEK H77 hat zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt. Die Halbleiteranordnung gemäß den Fig. 4 und 5 weist zwei Halbleiterelemente 114 und 116 auf, welche gegen den Kühlsockel
110 durch Isolierschichten 118 und 124 isoliert sind. 30
Verbindungsschichten 120 und 122 schaffen einen niedrigen Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterelement 114 und dem Kühlsockel 110. Verbindungsschichten 126 und erfüllen für das Element 116 dieselbe Aufgabe. Hauptstromanschlüsse 130, 132 und 134 schaffen Verbindungen
hoher Stromtragfähigkeit zu den Halbleiterelementen. Das Material für diese Anschlüsse kann entsprechend den speziellen Anforderungen insoweit gewählt werden, als sie mit dem für die Dichtungsschicht 136 gewählten Material
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dicht: verbunden werden können. Mit η i ckc!plattiertem Kupfer wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Die Anschlüsse 130 und 134 weisen erweiterte Kreisbereiche 138 und 140 auf, die sowohl der Verbesserung der Abdichtung zur Trennwand 90 dienen als auch verhindern, daß irgendwelche Bestandteile der Dichtungsschicht 136 in eine Kammer 142 eindringen.
Die speziellen internen Verbindungen zu den HaIbleiterelementen 114 und 116 weisen keine besonderen Merkmale auf. Eine Packung gemäß dem Ausführungsbeispiel kann die verschiedensten Halbleiterelemente beinhalten, wie ζ . B. Transistoren, Dioden, Thyristoren oder ähnliche, und die verschiedensten Schaltungsanordnungen aufweisen.
Diese Elemente können Basis- oder Gate-Anschlüsse aufweisen oder nicht und können sowohl mit dem Kühlsockel 110 elektrisch verbunden, als auch davon isoliert sein. Es können zwei, drei oder mehr Anschlüsse mit hoher Stromtragfähigkeit erforderlich sein.
Nur als Beispiel weist die Anordnung gemäß den Fig. 3 und 4 zwei Thyristoren 114 und 116 mit Steuerbzw. Gate-Elektroden 144 und 146 auf, welche mit Verbindungsleitungen 152 und 154 mit Gate-Buchsen 148 und 150 verbunden sind. Die Thyristoren weisen Anodenelektroden auf, welche mit elektrisch leitenden Stützplatten 158 und 160 verbunden sind. Die Stützplatten haben über elektrisch leitende Schichten 162 und 164 elektrischen Kontakt zu den Anschlüssen 130 und 134.
ou Die Verbindung zur Kathode der beiden Elemente wird über runde, elektrisch leitende Scheiben 170 und 172 hergestellt, welche zentrale öffnungen besitzen, durch die die Verbindung zu den Gate-Elektroden hergestellt wird.
Der elektrische Kontakt zwischen der Kathode des HaIb-
leiterclcmentes 116 und der Anode des Elementes 114 wird mit Hilfe eines Zapfens 174 und einer aus einer Verlängerung der Schicht 172 bestehenden Leitung 176 er-
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' zeugt. Die Halbleiterelemente sind in Serie geschaltet. Die Anode des Elements 116 ist am Anschluß 134 zugänglich; die Kathode des Elements 114 kann über den Anschluß 132 kontaktiert werden und die gemeinsame Anschlußmöglichkeit liegt am Anschluß 130.
Die Buchsen bzw. Hülsen 148 und 150 entsprechen der Hülse 54 der Baueinheit gemäß den Fig. 1 und 2. Die Hülsen können die Doppelfunktion erfüllen, die elektrische
•0 Verbindung zu den Gate-Elektroden der Elemente herzustellen und die Evakuierung der Kammer 142 und ihr Wiederfüllen mit einem für die Halbleiterelemente unschädlichen Gas zu ermöglichen. Darüber hinaus können Hilfsanschlüsse 180 und 182 mit den Hülsen 148 und 150 verbunden sein,
l"3 um die Herstellung des Kontaktes zu externen Schaltungen zu erleichtern, z. B. durch Löten oder mit Hilfe von Steckverbindungen. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann ein Gewindeabschnitt 184 des Anschlusses 130 in geeigneter Weise der Befestigung einer externen Zuleitung dienen. Die Anschlüsse 130, 132 und 134 sind zudem gerändelt, um einem Verdrehen im Dichtungsmaterial 136 zu widerstehen. Die Verbindung zwischen dem Anschluß 132 und der Scheibe 170 wird vorzugsweise durch einen flexiblen Leiter 186 gebildet, so daß zwischen dem Gehäuse 30 und
jedem der Halbleiterelemente keine feste physikalische Verbindung besteht. Der flexible Leiter 186, der ein verseilter Drahtleiter sein kann, ist über eine Zwischenplatte 188 mit dem Anschluß 132 verbunden, die die gleiche
Dichtungsfunktion erfüllt, wie die erweiterten Kreis-30
bereiche bzw. Ringe 138 und 140 bei den Anschlüssen 130 und 138.
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Die Dichtungsschicht 136 unterliegt den gleichen Kriterien wie die Schicht 74 gemäß Fig. 2 und kann aus den gleichen Materialien bestehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das speziell für Hochspannungs-Anwendungen eingesetzt wird, ist in Fig. 6 dargestellt. Da der Hauptteil der Hochspannungs-Ausführung den in Verbindung mit den Fig. 2 bis 5 beschriebenen Ausführungen gleich ist, wird lediglich das Gehäuse gezeigt.
Ein Gehäuse 190 weist eine obere Kammer 192 auf, welche die Anschlüsse 130, 132, 134, 148 und 150 umgibt. Die Anschlüsse werden durch Teilerwände 194, 196 und 198, welche drei separate Kammern bilden, voneinander getrennt. Eine Dichtungsschicht 200 füllt die Kammern nur teilweise, so daß die Länge des Kriechwegs zwischen zwei benachbarten Anschlüssen vergrößert wird. Vorzugsweise ist die Höhe der Teilerwände größer als die der Anschlüsse, so daß ein Hochspannungsüberschlag zwischen benachbarten Anschlüssen vermieden wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Gehäuses 190 können die Teilerwände 194, 196 und 198 Verbindungen zwischen den separaten Kammern aufweisen, so daß das Dichtungsmaterial zwischen ihnen fließen kann. Vorzugsweise wird die die Gate-Anschlüsse 148 und 150 einschließende Kammer isoliert und mit einem niedrigeren Niveau gefüllt und die Anschlüsse kürzer als die den
Hauptstrom tragenden Anschlüsse ausgeführt, um einem Überschlag oder einem Fehler im Kriechweg noch besser zu begegnen.
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Die Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung der Erfindung dar. So benutzen die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele eine einzige Hülse für die elektrische Verbindung des Gate-Anschlusses oder anderer An-Schlüsse der Baueinheit und für die Evakuierung der das Halbleiterelement umschließenden Kammer. Es kann jedoch in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, voneinander getrennte Elemente für diese beiden Funktionen einzusetzen, d.h., daß eine getrennte Rohreinrichtung für das Evakuieren und Wiederfüllen verwendet wird. Obwohl beide Ausführungsbeispiele eine einzige obere Kammer haben, in der alle elektrischen Verbindungsvorrichtungen zu dem Halbleiterelement oder den Elementen untergebracht sind und welche durch eine einzige Schicht von Dichtungsmaterial abgedichtet ist,kann es in bestimmten Fällen wünschenswert sein, zum Zwecke der Verbesserung der Spannungseigenschaften der Anordnung zwei oder mehrere getrennte Karamenn vorzusehen, von denen jede eine Dichtungsschicht
und eine oder mehrere elektrische Anschlüsse aufweist. 20
Während die Ausführungsbeispiele mit einem kühlenden Grundkörper für den Anschluß an seinen externen Kühlkörper gestaltet sind, kann es in bestimmten Fällen erforderlich sein, einen Grundkörper vorzusehen, der Be-
standteil eines Wärmetauschers oder ähnlichem ist. Zum Beispiel kann die Anordnung vorteilhaft auf einem Grundkörper aufgebaut sein, der ein Teil einer Wandung eines Rohres ist, durch das eine Kühlflüssigkeit geschickt wird. Alternativ dazu können die Halbleiterelemente auf einem Lamellenwärmetauscher zur direkten Konvektionskühlung durch die umgebende Luft aufgebracht sein.
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Die Erfindung betrifft also eine Halbleitereinrichtung,bei der eine Halbleitertablette in einer hermetisch abgedichten Kammer angeordnet ist, welche einen wärmeleitenden Grundkörper und ein im wesentlichen festes Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse eine obere offene Kammer besitzt, in welcher elektrische Anschlüsse angeordnet sind und welche mit einer Dichtungs- und Verstärkungsschicht gefüllt ist, um die mechanische Festigkeit und Dichtigkeit der Halbleiterbaueinheit wesentlich zu erhöhen. 10
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Claims (20)

  1. Patentansprüche
    Halbleiter-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen wärmeleitfähigen Grundkörper (12; 110), ein Halbleiterelement (22; 114, 116) auf diesem Grundkörper,
    ein das Halbleiterelement in hermetisch dichter Anordnung mit dem Grundkörper umgebendes Gehäuse (30; 80; 190), das mit dem Grundkörper eine das Halbleiterelement darin einschließende erste Kammer (40; 142) bildet, wobei das Gehäuse eine durch eine Trennvorrichtung (38; 90) von der ersten Kammer abgeteilte zweite offene Kammer aufweist,
    elektrische Anschlußeinrichtungen (53, 54; 130, 132, 148, 150), die sich durch die Trennvorrichtung erstrecken, zum Anschluß des Halbleiterelementes, eine Einrichtung (54; 148) zum Evakuieren der ersten Kammer und Wiederfüllen mit einem gewählten Gas, und
    ein in der zweiten offenen Kammer befindliches Mittel (74; 136) zum hermetischen Abdichten der ersten Trennvorrichtung und zum Verankern der elektrischen Anschlußeinrichtungen daran.
  2. 2. Hermetisch abgedichtete Halbleiter-Baueinheit, gekennzeichnet durch
    einen für die Befestigung des Halbleiterelementes an ihm angepaßten Grundkörper (12; 110),
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    Deutsche Bnnk (München) KtO 51/01 070
    Dresdner Bank (München) KIo 3939 844
    Postscheck (München) KIo. 670-43-804
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    ein Gehäuse (30; 80; 190), das im Zusammenwirken mit dem Grundkörper eine erste geschlossene Kammer (40; 142) bildet,
    elektrische Anschlußeinrichtungen (53, 54; 130, 132, 134, 148, 150), die sich durch das Gehäuse erstrecken, zum Anschluß des Halbleiterelementes,
    die Anschlußeinrichtungen umgebende Einrichtungen (34; 82, 84, 86, 88) für die Ausbildung einer zweiten offenen Kammer, und
    Dichtungsmittel (74; 136; 200) innerhalb der zweiten offenen Kammer, die eine Dichtungsfunktion zwischen dem Gehäuse und den elektrischen Anschlußeinrichtungen erfüllen, um die erste geschlossene Kammer hermetisch abzudichten.
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  3. 3. Baueinheit nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch dichtbare Rohrvorrichtungen (54; 148), die sich durch das Gehäuse erstrecken, für das Evakuieren der ersten geschlossenen Kammer (40; 142).
  4. 4. Baueinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12; 110) einen Kühlkörper aufweist.
  5. 5. Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper elektrisch leitend ist.
  6. 6. Baueinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit ein Halbleiterelement (22; 114,
    116) aufweist und der Kühlkörper elektrisch leitend mit dem Halbleiterelement verbunden ist.
  7. 7. Baueinheit nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wärmeleitende elektrisch isolierende Mittel (118, 124)
    OJ zwischen dem Halbleiterelement (114, 116) und dem Kühlkörper (110).
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  8. 8. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) eine erste Vertiefung (42) für die Aufnahme des Gehäuses (30) aufweist,um die Dichtungswirkung zwischen beiden zu verbessern.
  9. 9. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30; 80; 190) im wesentlichen starr und elektrisch isolierend ist.
  10. 10. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) eine rohrförmige Hülse (32) mit einem ersten und einem zweiten offenen Hand und einer scheibenförmigen Trennwand (38) zwischen den beiden Rändern aufweist, die die Hülse in einen ersten und einen zweiten Abschnitt teilt, wobei der erste Abschnitt im Zusammenwirken mit dem Grundkörper (12) die erste geschlos' sene Kammer (40) bildet und der zweite Abschnitt das Dichtungsmittel (74) aufweist, das die Anschlußeinrichtungen (53, 54) umgibt, welche sich durch die scheibenförmige Trennwand erstrecken.
  11. 11. Baueinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) einen Kühlkörper aufweist.
  12. 12. Baueinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) in einer Fläche eine Nut (42) zur Aufnahme des ersten offenen Randes (36) der rohrförmigen Hülse (32).
  13. 13. Baueinheit nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Kleber (46), der die Verbindung des ersten offenen Randes mit der Nut abdichtet.
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  14. 14. Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper einen rechteckigen Kühlkörper (110) mit einer ersten und einer zweiten Öffnung (106, 108) aufweist, die passend für die Aufnahme von Einrichtungen ausgeführt sind, die zur Befestigung des Kühlkörpers an einen Wärmetauscher dienen.
  15. 15. Baueinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (80, 190) ein rechteckförmiges Hülsenteil mit einer rechteckigen Trennwand (90) darin aufweist, die das Hülsenteil in eine nach oben gerichtete erste und eine nach unten gerichtete zweite Kammer teilt, wobei die zweite Kammer im Zusammenwirken mit dem Kühlkörper (110) die erste geschlossene Kammer (142) bildet.
  16. 16. Baueinheit nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein erstes und ein zweites Befestigungsteil (102, 104), die aus der rechteckigen Hülse herausragen und passend für den flächigen Zusammenbau mit ähnlichen Bereichen auf dem Kühlkörper (110) ausgeführt sind.
  17. 17. Baueinheit nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Klebeschicht (126) zur Verbindung der Befestigungsteile (102, 104) mit dem Kühlkörper (110).
  18. 18. Halbleiter-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen wärmeleitenden Grundkörper (110),
    ein Halbleiterelement (114, 116), das wärmeleitend mit dem Grundkörper verbunden ist,
    ein mit dem Grundkörper hermetisch abgedichtet verbundenes, im wesentlichen starres Gehäuse (80; 190) , das das Halbleiterelement in einem räumlichen Abstand umgibt und mit dem Grundkörper eine erste Kammer (142) bildet, welche das Halbleiterelement einschließt, wobei das
    Gehäuse eine zweite offene Kammer aufweist, die durch
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    eine Trennvorrichtung (90) von der ersten Kammer getrennt ist,
    elektrische Anschlußvorrichtungen (130, 132, 134, 148, 150), die durch die Trennvorrichtung hindurchragen,
    flexible, elektrische Verbindungsvorrichtungen (60; 152, 154, 186), die das Halbleiterelement mit den elektrischen Anschlußvorrichtungen verbindet,
    Dichtungsmittel (136, 200) zum Dichten zwischen den Anschlußvorrichtungen und der Trennvorrichtung und zum Verstärken der mechanischen Verbindung zwischen den Anschlußvorrichtungen und dem Gehäuse, und
    eine Vorrichtung (148) zum Evakuieren der ersten Kammer und Wiederfüllen mit einem ausgewählten Gas. 15
  19. 19. Baueinheit nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Teilungsvorrichtungen (194, 196, 198) zum Aufteilen der zweiten Kammer in erste und zweite Abschnitte, wobei jeder der Abschnitte zumindest einen der elektrischen Anschlüsse (130, 132, 134, 148, 150) enthält und die Höhe des Dichtungsmittels (200) in diesen Abschnitten niedriger ist als die Höhe der Teilungsvorrichtungen.
  20. 20. Baueinheit nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ZJ Teilungsvorrichtungen (194, 196, 198) zum Aufteilen der zweiten Kammer in erste und zweite Abschnitte, wobei jeder der Abschnitte mindestens einen der elektrischen Anschlüsse (130, 132, 134, 148, 150) enthält und die Höhe des Dichtungsmittels (200) in diesen Abschnitten
    niedriger ist als die Höhe der Teilungsvorrichtungen.
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DE2945972A 1978-11-27 1979-11-14 Halbleiterbauelement mit einer oberen Kammer zur Erhöhung der Festigkeit und zum Abdichten Expired DE2945972C2 (de)

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