DE3032133A1

DE3032133A1 - Explosionssichere halbleitervorrichtung.

Info

Publication number: DE3032133A1
Application number: DE19803032133
Authority: DE
Inventors: Youichi Kawasaki Araki; Yukio Yokohama Igarashi; Shinjiro Chigasaki Kanagawa Kojima; Kazuyuki Tokyo Nakashima
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1981-03-12
Also published as: JPS5635443A; CA1152654A; GB2057762B; GB2057762A; US4399452A; DE3032133C2; JPS5722419B2

Description

Die Erfindung betrifft eine explosionssichere Halbleitervorrichtung, insbesondere eine Leistungshalbleitervorrichtung.

Bei einem üblichen Leistungsgleichrichter ist ein Halbleiterelement an den einander gegenüberstehenden End- oder Stirnflächen zweier Elektroden angelötet, die lotrecht in einem geeigneten gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Das Halbleiterelement ist dabei in ein Gehäuse eingekapselt, das seinerseits aus einem zylindrischen Keramikelement und zwei ringförmigen Elementen aus Kovar (eingetr. Warenzeichen) besteht. Die beiden Ringelemente sind mit festem Sitz sowohl an den offenen Endabschnitten des zylindrischen Keramikelements als auch an den Umfangsflachen der beiden lotrecht angeordneten Elektroden angebracht. Die Innenfläche jedes Ringelements ist mit einem Abschirmelement versehen, das sei-

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nerseits so ausgebildet ist, daß es eine Zerstörung des betreffenden Ringelements durch die Schmelzstücke (molten chips) eines Halbleiterelements verhindert, die beim Auftreten eines übermäßig großen Stroms explosionsartig auseinanderplatzen und gegen das Ringelement prallen.

Wenn bei der bisherigen Halbleitervorrichtung ein Überstrom von mehreren kA durch das Halbleiterelement fließt, schmilzt letzteres unter der entstehenden, auf den Überstrom zurückzuführenden großen'Hitze teilweise oder vollständig. Beim explosionsartigen Zerplatzen des Halbleiterelements in Schmelzstücke ist das Ringelement durch das Abschirmelement geschützt. Das zylindrische Keramikelement wird jedoch durch die mit großer Wucht auf es auftreffenden heißen Metall-Schmelz stücke des Halbleiterelements unmittelbar erhitzt, so daß es mit größter Wahrscheinlichkeit zerstört wird. Da ein solcher Bruch explosionsartig auftritt, können in der Nähe dieser bisherigen Halbleitervorrichtung befindliche Bauteile durch die Explosion stark beschädigt werden. Eine solche Explosion ist zudem auch unmöglich vorherzusehen, so daß eine in der Nähe einer solchen Halbleitervorrichtung befindliche Bedienungsperson bei der Explosion möglicherweise Verletzungen erleidet.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Halbleitervorrichtung, welche die durch einen Überstrom hervorgerufenen Explosionsdruckstöße aufzufangen und dabei eine Beschädigung des Gehäuses zu verhindern vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, zwei Elektroden, zwischen denen das Halbleiterelement verspannt ist, und einem Gehäuse, dessen Innenraum eine luftdicht gekapselte Kammer bildet und welches das Halbleiterelement umschließt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Explosionsschutzelement, welches die bei einer Explosion des Halbleiterelements auftretenden Kräfte zu absorbieren bzw. aufzufangen vermag, unter

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Umschließung des Halbleiterelements in das Gehäuse eingesetzt ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung, bei welcher ein Explosionsschutzelement unter Umschließung eines Halbleiterelements in ein Gehäuse eingesetzt ist,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Oberseite des Explosionsschutzelements mit einem fest an der Unterseite der oberen Elektrode anliegenden ringförmigen Bund versehen ist,

Fig. 3 eine den Fig. 1 und 2 ähnelnde Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Oberseite des Explosionsschutzelements mit mehreren Ringbunden versehen ist, von denen zumindest der innerste fest an der Unterseite der oberen Elektrode anliegt,

Fig. 4 eine den Fig. 1 bis 3 ähnelnde Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Unterseite des den größeren Durchmesser besitzenden Teils der oberen Elektrode mit einem Ringbund versehen ist und das Explosionsschutzelement eine diesen Bund aufnehmende Ringnut aufweist,

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Fig. 5 eine den Fig. 1 bis 4 ähnelnde Darstellung noch einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung, bei welcher das Explosionsschutzelement aus zwei in Axialrichtung der Vorrichtung verschiebbaren Teilen besteht,

Fig. 6 eine Darstellung der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Fig. 5, welche die Verschiebung der beiden Teile des Explosionsschutzelements gemäß Fig. 5 beim Explodieren des Halbleiterelements veranschaulicht,

Fig. 7 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung des Explosionsschutzelements bei der Ausführungsform nach Fig. 5,

Fig. 8 eine Schnittansicht des Explosionsschutzelements bei der Ausführungsform nach Fig. 5 mit einer gegenüber Fig. 7 unterschiedlichen Verbindung oder Fuge :wischen den beiden verschiebbaren Teilen,

Fig. 9 eine Fig. 8 ähnelnde Darstellung mit einer noch anderen Form der Verbindung oder Fuge zwischen den beiden verschiebbaren Teilen des Explosionsschutzelements und

Fig. 1OA bis 1OE Schnittansichten der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 5 zur Veranschaulichung der Arbeitsgänge bei ihrer Herstellung.

Bei der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1 ist ein Halbleiterelement 13 (z.B. ein Siliziumelement) zwischen zwei Elektroden 11 und 12 verspannt und* von einem Gehäuse 14 umschlossen. Das Gehäuse 14 und die Elektroden 11, 12 bilden eine luftdichte Kammer. Das Gehäuse 14 umfaßt ein hohlzylindrisches Element 15, Ringelemente 16, 17, die an den

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beiden offenen Endabschnitten des Zylinderelements 15 befestigt sind, und ein an der Innenfläche des Ringelements 16 befestigtes inneres Ringelement 18. Das Zylinderelement 15 besteht aus einem Isoliermaterial,wie Keramik. Die Innenkontur des Zylinderelements 15 entspricht einer regelmäßigen Zylinderform. Die Ringelemente 16, 17 und 18 sind aus Kovar (eingetr. Warenzeichen) hergestellt, wobei das Ringelement 17 fest mit der unteren Elektrode 12 verbunden ist. Das Ringelement 16 ist am inneren Ringelement angeschweißt, das seinerseits an der oberen Elektrode 11 befestigt ist. Ein hohlzylindrisches Explosionsschutzelement 20 ist so in das Gehäuse 14 eingesetzt, daß es das Halbleiterelement 13 umschließt. Das Explosionsschutzelement 20 besteht aus einem wärmebeständigen Isoliermaterial, z.B. Silikonguiruni in hohlzylindrischer Form. Sein oberer Endabschnitt 20a steht in fester Andruckberührung mit der Seitenfläche des schlankeren Teils der oberen Elektrode 11, während sein unterer Teil 20b fest an der unteren Elektrode 1 2 anliegt. Der Mittelteil 20c des Explosionsschutzelements 20 liegt an der Außenumfangsflache des Halbleiterelements 13 an, um dieses in einer vorbestimmten Stellung zu halten.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ein überstrom das Halbleiterelement durchfließt, wird das Halbleiterelement teilweise oder vollständig geschmolzen, wobei seine Schmelzstücke explosionsartig umherspritzen. Hierbei werden jedoch die aus dünnem Metallblech bestehenden Ringelemente 16, und 18 sowie das aus Keramik bestehende Zylinderelement durch das Explosionsschutzelement 20 vor einer direkten Beaufschlagung mit den heißen Schmelzstücken des zerplatzenden Halbleiterelements 13 geschützt, die sich mit hohem Druck nach allen Seiten bewegen. Auf diese Weise wird eine

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Zerstörung der Ringelemente 16, 17 und 18 sowie des Zylinderelements 15 verhindert.

Der größte Teil eines durch einen Überstrom erzeugten Lichtbogens tritt im allgemeinen an dem Teil des Halbleiterelements 13 auf, in welchem der Strom am stärksten konzentriert ist. Bei der mit dem Explosionsschutzelement 20 versehenen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ist das Halbleiterelement 13 unter Druck zwischen den beiden Elektroden 11 und 1.2 verspannt, wobei diese Elektroden 11, 1 2 mit festem Sitz mit der Innenfläche des Explosionsschutz* elements 20 verbunden sind. Aus diesem Grund wird eine bogenbildung im Zentrum des Halbleiterelements 13 wodurch der kritische Punkt, an welchem die Zerstörung Halbleiterelements 13 durch einen Überstrom hervorgerufen wird, weiter hinausgeschoben wird.

Weitere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß das Halbleiterelement nicht an den beiden Elektroden angelötet, sondern unter Druck zwischen ihnen verspannt ist, wodurch die Ausrichtung des Halbleiterelements beim Zusammenbau der Halbleitervorrichtung erleichtert und gleichzeitig seine Verschiebung aufgrund von Druckstößen oder Temperaturäfiderungen nach dem Zusammenbau vermieden wird. Auf diese Weise kann eine Zerstörung des Halbleiterelements sowie eine ungleichmäßige Wärmeabgabe aufgrund einer Abweichung eia&r auf das Halbleiterelement einwirkenden Belastung infolge seiner Verschiebung verhindert werden. Die Halbleitervorrichtung läßt sich infolgedessen mit erhöhter Wirtschaftlichkeit, größerem Ausbringen und höherer Güte herstellen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist das Explosionsschutzelement 20 mit einem Ringbund 2Od versehen, dessen oberes Ende mit zumindest einem Teil der Unterseite des den größeren Durchmesser besitzenden Abschnitts der oberen Elektrode 11 fest verbunden ist. Der Ringbund 2Od dichtet

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einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Ringelement 16 und dem inneren Rirfgelement 18 ab, die beide aus einem Werkstoff mit vergleichsweise niedriger mechanischer Festigkeit bestehen. Der Ringbund 2Od schützt somit die beiden Ringelemente 16 und 18 vor umherspritzenden Schmelzstücken des Halbleiterelements 13, durch welche diese Ringelemente andernfalls zerstört werden könnten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist das Explosionsschutzelement 20 mehrere Ringbunde 2Oe, 2Of ... auf. Der innerste Ringbund 2Oe ist fest mit der Unterseite des weiteren Abschnitts der oberen Elektrode 11 verbunden. Die anderen Ringbunde 2Of ... stehen in fester Verbindung mit dem inneren Ringelement 18. Die Ringbunde 2Oe, 2Of ... brauchen nicht unbedingt den quadratischen Querschnitt gemäß Fig. 3 zu besitzen. Wenn diese Ringbunde in Form einer Reihe mit dreieckigem Querschnitt, d.h. in sägezahnförmiger Anordnung ausgebildet werden, können sie noch fester mit der oberen Elektrode 11 und dem inneren Ringelement 18 verbunden werden. Ein auf diese Weise ausgebildetes Explosionsschutzelement erfüllt seine Aufgabe noch besser.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Unterseite eines Flanschteils 11a der oberen Elektrode 11 mit einem Ringbund 11b versehen. In der Oberseite des Explosionsschutzelements 20 ist eine Ringnut zur Aufnahme dieses Ringbunds 11b des Flanschteils 11a vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform können obere Elektrode 11 und Explosionsschutzelement 20 noch inniger miteinander verbunden werden, so daß die Bauteile der Halbleitervorrichtung besser vor Zerstörung durch die bei einer Explosion des Halbleiterelements 13 auftretenden Schmelzstücke geschützt sind. Umgekehrt ist es auch möglich, einen Vorsprung bzw. Ringbund an der Oberseite des Explosionsschutzelements und eine entsprechende Nut in der Unterseite des weiteren Abschnitts der oberen Elektrode 11 vorzusehen. Mit einer solchen Anordnung werden

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dieselben Wirkungen erzielt. Weiterhin ist es auch möglich, jeweils mehrere Ringbunde und Nuten vorzusehen, um die Verblockung zwischen oberer Elektrode 11 und Explosionsschutzelement 20 weiter zu verbessern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 besteht das Explosionsschutzelement 20 aus zwei lotrecht übereinander ang#- ordneten, getrennten Teilen 21 und 22, die an einer abgestuften Verbindungsstelle bzw. Trennfuge 20h miteinander verbunden sind.· Die Trennfuge 20h befindet sich dabei oberhalb des Halbleiterelements 13 an einer dem inneren Ringelement 18 zugewandten Stelle. Die beiden Teile 21 und 22 des Explosionsschutzelements sind im ineinander eingesetzten Zustand axial zur Halbleitervorrichtung relativ zueinander verschiebbar.

Im Normalzustand der Halbleitervorrichtung befindet sich zwischen der Innenfläche des Gehäuses 14 und der Außenumfangsfläche des zusammengesetzten Explosionsschutzelements 2C ein Spalt 30, der als Spielraum zur Ermöglichung einer radialen und axialen Ausdehnung des mehrteiligen Explosionsschutzelements 20 unter dem Einfluß starker Wärme- und Druckeinwirkung im Fall einer Explosion des Halbleiterelements 13 bei einem dieses durchfließenden überstrom dient.Falls das Halbleiterelement 13 explodiert, verlagert sich das zusammengesetzte Explosionsschutzelement 20 auf die bei 40 angedeutete Weise in enge Anlage an das Gehäuse 14, wobei der Spalt 30 verschwindet. Die beiden getrennten Teile 21 und des Explosionsschutzelements, die aus einem weichen, elastischen Material, wie Silikongummi bestehen, können sich insbesondere in Radialrichtung leicht ausdehnen. Da sich diese Teile 21 und 22 unter Aufrechterhaltung ihrer gegenseitigen Verbindung in lotrechter Richtung zueinander verschieben können, bleibt die luftdichte Abdichtung innerhalb des Explosionsschutzelements 20 erhalten.

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Die perspektivische Darstellung gemäß Fig. 7 soll den Aufbau des zusammengesetzten bzw. mehrteiligen Explosionsschutzelements 20 näher verdeutlichen. Bei der in Verbindung mit Fig. 5 bis 7 beschriebenen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung werden die bei einer Explosion des Halbleiterelements 13 unter dem Einfluß eines Oberstroms auftretenden großen Kräfte durch das zusammengesetzte elastische Explosionsschutzelement 20 vollständig aufgefangen.

Bei der Halbleitervorrichtung gemäß den Fig. 5 bis 7 besteht das mehrteilige Explosionsschutzelement 20, wie erwähnt t aus zwei weichen, elastischen Teilen 21 und 22. Bei der Montage der Halbleitervorrichtung kann somit das Halbleiterelement 13 ohne weiteres in seine vorgesehene Einbaustellung zwischen den beiden Teilen 21 und 22 eingesetzt werden, so daß eine festere Berührung zwischen dem Halbleiterelement 13 und dem mehrteiligen Explosionsschutzelement 20 gewährleistet werden kann.

Fig. 8 veranschaulicht eine Abwandlung des zusammengesetzten bzw. mehrteiligen ExplosionsSchutzelements 20 gemäß Fig. In diesem Fall ist an der Unterseite des oberen Teils 22 des Explosionsschutzelements ein Ringbund 22c angeformt. In der Oberseite des unteren Teils 21 ist dagegen eine Ringnut 21c ausgebildet. Mit dieser Anordnung wird eine innigere Beirührung bzw. festere Verbindung zwischen den beiden Teilen 21 und 22 des Explosionsschutzelements 20 gewährleistet.

Bei der weiteren Abwandlung des Explosionsschutzelements 20 gemäß Fig. 9 sind seine beiden Teile 21 und 22 mit einander zugewandten Schrägflächen versehen. Hierdurch wird ebenfalls das sichere Zusammensetzen der beiden Teile 21 und 22 des Explosionsschutzelements 20 verbessert.

Im folgenden sind anhand der Fig. 10A bis 10E die Arbeitsgänge bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß

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Fig. 5 erläutert. Gemäß Fig. 1OA werden zunächst die Ringelemente 16 und 17 an Oberseite bzw. Unterseite eines Zylinderelements 15 angebracht. Am Unterteil des unteren Ringelements 17 wird eine untere Elektrode 12 befestigt. Gemäß Fig. 10B wird hierauf ein unterer Explosionsschutzteil 21 von der Seite des oberen Ringelements 16 her in das Zylinderelement 15 eingesetzt, wobei die Innenumfangsflache 21a dieses Teils mit festem Sitz auf die Außenumfangsflache der unteren Elektrode 12 aufgesetzt wird. Anschließend wird gemäß Fig. 10C ein Halbleiterelement 13 in den unteren Explosionsschutzteil 21 so eingesetzt, daß die Außenumfangsflache des Halbleiterelements 13 fest an der Innenumfangsflache 21b des unteren Explosionsschutzteils 21 anliegt, während seine Unterseite mit der Oberseite der unteren Elektrode 12 in enger Anlage steht. Das Halbleiterelement 13 wird in seinem an der Oberseite der unteren Elektrode 12 anliegenden Zustand festgelegt bzw. befestigt. Gemäß Fig. 10D wird der obere Explosionsschutzteil 22 sodann mit dem unteren Explosionsschutzteil 21 zusammengesetzt. Im abschließenden Arbeitsgang gemäß Fig. 10E wird eine mit einem inneren Ringelement 18 versehene obere Elektrode 11 so in das Gehäuse 14 eingesetzt, daß das Halbleiterelement 13 unter einem vorbestimmten Druck verspannt ist. Hierauf sind inneres Ringelement 18 und äußeres Ringelement 16 sicher gehaltert. Das Explosionsschutzelement 20 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführngsformen der Erfindung ist offensichtlich weiteren Abwandlungen zugänglich. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht nur auf einen Leistungsgleichrichter, sondern auch auf einen Leistungstransistor, Leistungsthyristor oder ein ähnliches Bauelement anwendbar.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, Möhlstraße 37

Kawasaki, Japan D-βΟΟΟMünchen 80

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld

Telegramme: ellipsoid

KU-55P361-3

26. Aug. 1980

Explosionssichere Halbleitervorrichtung

Patentansprüche

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, zwei Elektroden, zwischen denen das Halbleiterelement verspannt ist, und einem Gehäuse, dessen Innenraum eine luftdicht gekapselte Kammer bildet und welches das Halbleiterelement umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Explosionsschutzelement (20), welches die bei einer Explosion des Halbleiterelements (13) auftretenden Kräfte zu absorbieren bzw. aufzufangen vermag, unter Umschließung des Halbleiterelements (13) in das Gehäuse (14) eingesetzt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) ein isolierendes Zylinderelement (15), das an beiden Enden offen ist, und zwei an dessen offenen Enden angebrachte Ringelemente (16, 17, 18) aufweist und

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daß die Elektroden (11, 12) an den Innenflächen der Ringelemente (17 bzw. 18) angebracht sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Explosionsschutzelement (20) aus einem weichen, elastischen Werkstoff hergestellt und mit mindestens einem Ringbund (2Od) versehen ist, der mit zumindest einem Abschnitt an der Unterseite des den größeren Durchmesser besitzenden Abschnitts der einen Elektrode (11) angebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Explosionsschutzelement (20) mehrere Ringbunde (2Oe, 2Of, ...) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (11) mit einem Ringbund (11b) versehen ist und daß das Explosionsschutzelement (20) e.'.ne Ringnut (20g) zur Aufnahme des Ringbunds (11b) der Elektrode (11) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Explosionsschutzelement (20) aus mehreren Teilen (21, 22) zusammengesetzt ist, die unter Aufrechterhaltung ihrer gegenseitigen Verbindung in lotrechter Richtung zueinander verschiebbar sind.

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