DE3141643C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Halbleiter­ anordnung nch dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Hochleistungs-Halbleiteranordnungen sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Die DE-OS 15 14 393 beschreibt eine Halbleiteranordnung, bei der die Halbleiterscheibe zwischen zwei Kupferplatten gespannt ist und die seitliche Begrenzung wird durch einen Keramikring und mit den Kupfer­ platten und dem Keramikring verbundenen dünnwandigen Rand­ teilen gebildet. Die Kühlung des Halbleiterelements kann nur von einer Seite der Anordnung vorgenommen werden, wobei keine Vorkehrungen getroffen sind, damit die Wärme schnell von der oberen Platte zur unteren Platte geleitet werden kann.

Aus der DE-AS 10 00 534 ist eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der die Wärme von beiden Seiten der Halbleiterscheibe weggeführt wird. Die Scheibe ist zwischen zwei Kühlkörpern gelagert und ein gemeinsames Kühlelement ist in gutem Wärme­ kontakt mit den Kühlkörpern angeordnet und durch eine Iso­ lierfolie von diesem isoliert. Bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung muß das Halbleiterelement mit einer bestimmten Spannkraft zusammengedrückt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel müssen die Spannkräfte zum Zusammendrücken der Kühlkörper mit dem Halbleiterelement senkrecht zu den Spannkräften zwischen den Kühlkörpern und dem Kühlelement aufgebracht werden. Damit die auf das Halbleiterelement aufgebrachte Spannkraft in den gewünschten Grenzen liegt, müssen die mit dem Kühlelement in Eingriff stehenden Flächen der Kühlkörper genau bestimmt sein. Außer­ dem ist die Gefahr vorhanden, daß die Kühlkörper sich relativ zur Oberfläche des Halbleiterelementes verdrehen, insbesondere wenn das Kühlelement auf eine Wärme ableitende Platte geschraubt wird, so daß der Druck auf das Halbleiterelement nicht gleichmäßig ist. Weitere Probleme entstehen dann, wenn mehrere Halbleiterelemente parallel angeordnet werden sollen. Der Aufbau der bekannten Halbleiteranordnung ist kompliziert und macht das Verfahren zu ihrer Herstellung aufwendig, wobei die Wärmeableitung nicht ausreichend ist.

Die DE-OS 16 39 039 beschreibt die Verwendung von Dichtungs­ ringen aus Silikon in Halbleiteranordnungen. Die Problematik der Wärmeableitung wird in dieser Entgegenhaltung nicht ange­ sprochen.

Aus der DE-OS 20 22 616 ist ein scheibenförmiges Halbleiter­ bauelement bekannt, bei der eine Halbleiterscheibe zwischen zwei Edelmetallplatten eingespannt ist, wobei die Gesamtanordnung lose, jedoch flächenhaft anliegend, zwischen wannenförmig aus­ gebildeten Gehäuseseitenteilen aus thermisch und elektrisch nicht leitendem Material angeordnet ist. Zwischen den Gehäuseteilen ist ein Isolierstoffring vorgesehen, der teilweise von den jeweiligen Randteilen des Gehäuses übergriffen ist. Auf diese Randteile sind zur Erzielung einer festen und dichten Verbin­ dung derselben mit dem Isolierstoffring jeweils metallische Ringe aufgeschraubt. Bei dieser bekannten Anordnung ist eine Wärmeleitung zwischen den zwei Platten nicht möglich.

Aus der DE-OS 20 42 494 ist eine Wärmeleitpaste bekannt, die zur Verminderung des Wärmeübergangswiderstands zwischen elektronischen Bauelementen und ihren Montageteilen dient, wobei zu ihrer Herstellung ein niedrigviskoses Epoxydharz verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochleistungs- Halbleiteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und mit einer guten Wärmeableitung versehen ist, so daß die verwendeten Halbleiterscheiben nicht überhitzt werden und ein Schutz durch eine Glaspassivierung überflüssig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Das der Herstellung der Halbleiteranordnung dienende Verfahren kennzeichnet sich durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale. Durch die in den wei­ teren Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die sich gegenüber­ liegenden Flächen der Platten erstrecken sich weit über die Halbleiterscheibe heraus, so daß ein wesentlicher Teil des zwischen den Platten gebildeten Raumes nicht von der Halb­ leiterscheibe eingenommen ist. Dieser Raum wird weitgehend mit wärmeleitendem elektrisch nicht leitendem Harz gefüllt, so daß ein fast völlig ausgefüllter Block entsteht, in dem überall gleichmäßige Wärmeübergänge vorhanden sind. Damit die Funktion der Halbleiterscheibe nicht durch das zwischen den Platten gefüllte wärmeleitende Material beeinträchtigt wird, wird um die Halbleiterscheibe herum ohne direkten Kontakt mit ihr ein gummielastischer Ring gespannt, der sich durch das Zusammendrücken verformt und eine Abdichtung zwischen Halb­ leiterscheibe und Harz bildet. Die Verwendung von Epoxydharz bringt den Vorteil mit sich, daß ein elektrisch isolierter kompakter Block mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit zur Ableitung der durch die Halbleiterscheibe erzeugten Wärme zur Verfügung gestellt wird, wobei die im Stand der Technik bekannten Nach­ teile des Epoxydharzes in Verbindung mit Halbleiter- Bauelementen durch das Vorsehen des gummielastischen Ringes vermieden werden, so daß eine Glaspassivierung nicht notwendig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Halbleiteranordnung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch die Halbleiteranordnung.

Die Hochleistungs-Halbleiteranordnung besteht aus einer Thyristorscheibe 1 und zwei Dioden­ scheiben 2 und 3. Jede Halbleiterscheibe 1, 2 und 3 ist zwischen Aluminium-Kühl­ platten 4, 5; 5, 6; und 6, 7 eingeschlossen. Die Halbleiterscheiben 1, 2, 3 sind in Serie miteinander verbunden durch die Aluminium- Kühlplatten 4, 5, 6, 7, und daher können erforderlichenfalls Verbindungen zu den Scheiben direkt hergestellt werden durch die Aluminium-Kühlplatten 4, 5, 6, 7 mit Aus­ nahme des Gatterkontaktes 8 der Thyristor­ scheibe 1. Um eine Verbindung zu dem Gatter 8 herzustellen, ist eine Bohrung 9 durch die Aluminium-Kühlplatte 4 geführt. Ein Gatter- Leiter 10 durchgreift die Bohrung 9, erstreckt sich längs der Unterseite der Platte 4 und durch eine weitere Bohrung 11 in der Platte 4, die nach außen mündet. Die Bohrung 9 ist versiegelt, um eine Ver­ unreinigung der Unterseite der Scheibe 1 zu verhindern.

Jede Halbleiterscheibe 1, 2, 3 ist für die Anlage an den Aluminium-Kühlplatten 4, 5, 6, 7 mit metallisierten Kontaktoberflächen ausge­ stattet, die entsprechend bekannter Techni­ ken passiviert sind. Dünne nicht gezeigte Silber- und Molybdän-Dichtungen sind zwischen den Halbleiterscheiben und den benachbarten Platten vorgesehen. Die Oberflächen der Aluminium- Kühlplatte 4, 5, 6, 7, die an den Scheiben 1, 2, 3 anliegen sind ebenso präpariert. Die Sitzflächen werden flach und parallel gepreßt, und niedrige Nuten 12 sind in die Oberflächen der Kühlplatten um die Sitzflächen herum eingepreßt, um einen Raum zu bilden für die Passivierung der von den Rändern der Scheiben vorspringenden Ränder 13. Um eine Abdichtung jeder Halbleiter­ scheibe 1, 2, 3 zu schaffen, sind aus Gummi bestehende O-Ringe 14 verwendet, die die Scheiben umgeben, jedoch nicht berühren. Ein Kontakt zwischen den Halbleiterscheiben und den O-Ringen 14 würde die Passivierungs­ schichten der Scheiben nachteilig beeinflussen. Der gesamte Aufbau wird dann fest durch einen nicht dargestellten Bügel zusammenge­ spannt, der auf eine Stange 15 wirkt, um die Platten 4 und 7 zusammenzudrücken. Das Zusammenspannen des Aufbaus stellt sicher, daß die Oberflächen der Scheiben 1, 2, 3 und der Kühlplatten 4, 5, 6, 7 in gutem Kontakt miteinander stehen, und daß die aus Gummi bestehenden O-Ringe 14 ausreichend komprimiert sind, um eine wirksame Abdichtung zu bilden.

Die große Halbleiterscheibe 1 orientiert sich selbst, da ihr Gatter-Leiter 10 durch die Bohrung 9 geführt werden muß. Die kleinen Halbleiterscheiben 2, 3 sind dagegen nicht selbstorientierend und daher sind Kunststoff-Ringe 16 aus Polytetrafluoräthylen lose in die Nuten 12 eingelegt zur Begrenzung der Scheiben.

Jeder Kontakt zwischen den Scheiben und den Ringen 16 ist so leicht, daß die Scheiben mechanisch nicht beschädigt werden können, und das Kunststoff-Material hat keine nachteilige Einwirkung auf die Passivierung der Scheiben. Jede Platte 5, 6, 7 besitzt einen sie durchgreifenden Kanal 17, der mit den Aussparungen 12 in Verbindung steht. Das Ende des Kanales 17 in der Platte 7 trägt einen Stöpsel für ein Evakuierungsrohr 18, das mit den ringförmigen Zwischenräumen zwischen den Scheiben und den O-Ringen in Verbindung steht.

Der dicht zusammengespannte Aufbau wird dann in das Epoxydharz 19 eingekapselt, das hoch­ wärmeleitend, jedoch nicht elektrisch leit­ fähig ist. Das Epoxydharz kann mit 80% Aluminium­ oxyd gefüllt sein. Das Harz wird auf den Aufbau unter Vakuum aufgebracht, so daß ein voll­ ständiger Verschluß und eine isolierende Sperre erhalten wird zwischen jedem benachbarten Paar von Kühlplatten. Die hohe thermische Leit­ fähigkeit des Epoxydharzes stellt sicher, daß die Kühlplatten 4, 5, 6, 7 als eine einzige wärmeableitende Masse wirken, während die einzelnen Kühlplatten elektrisch voneinander isoliert sind. Hierdurch wird sogar dann, wenn nur die Aluminium-Kühlplatte 4 mit dem Chassis der den Aufbau aufnehmenden Vorrichtung verspannt ist, die Wärme auch von den Kühl­ platten 5, 6, 7 abgeleitet. Aufgrund der Epoxydharzbeschichtung 19 ist außerdem keine besondere Isolierung erforderlich zwischen dem Aufbau und dem Chassis der diesen auf­ nehmenden Vorrichtung.

Durch die Anordnung der aus Gummi bestehenden O-Ringe 14 ist jede Scheibe 1, 2, 3 gegenüber dem Epoxydharz 19 abgedichtet, so daß ihre Passivierungen nicht durch das Epoxydharz 19 beeinflußt werden können. Daher ist eine aufwendige Glaspassivierung nicht erforderlich.

Entweder vor oder nach der Aufbringung des Epoxydharzes 19 werden die ringförmigen Zwischenräume zwischen den O-Ringen 14 und den Scheiben über den Kanal 17 und das Rohr 18 evakuiert. Nach erfolgter Evakuierung wird der Zwischenraum mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt und das Rohr 18 verschlossen. Auf diese Weise sind die Scheiben isoliert in einer inerten Gasatmosphäre eingeschlossen innerhalb eines robusten Aufbaues, so daß ideale Bedingungen für eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet sind.

Es können eine beliebige Zahl von Scheiben zu einem Hochleistungs-Halbleiter­ aufbau zusammengefaßt werden. Außerdem können erforderlichenfalls die Scheiben eines Aufbaues elektrisch isoliert werden von jedem anderen Aufbau durch Anordnung einer elektrisch isolierenden Harzschicht zwischen den benachbarten Aufbauten. Anstelle eines Thyristors und zweier Dioden können auch andere Typen von Halbleiterbauelementen in unter­ schiedlichen Kombinationen angewendet werden.

Claims (13)

1. Hochleistungs-Halbleiteranordnung mit mindestens zwei im Abstand zueinander angeordneten, sich gegenüberliegende parallele Flächen aufweisenden wärmeleitenden und elektrisch leitenden Platten, zwischen denen mindestens eine Halbleiterscheibe eingespannt ist und mit einem die Halbleiterscheibe abdichtenden Dichtungselement, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegen­ überliegenden Flächen der Platten (4, 5; 5, 6; 6, 7) weit über die Halbleiterscheibe (1, 2, 3) heraus erstrecken, so daß ein wesentlicher Teil des zwischen den Platten gebildeten Raumes nicht von der Halbleiterscheibe eingenommen ist, daß das Dichtungselement ein zwischen den Platten (4, 5; 5, 6; 6, 7) eingespannter und sich um die Halbleiter­ scheibe herum erstreckender O-Ring (14) ist, der eine abgedichtete Kammer definiert, und daß der Raum zwischen den Platten außerhalb der Kammer mit einem elektrisch nicht leitenden, wärmeleitenden Harz (19) gefüllt ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platten ( 4, 5, 6, 7) aus Aluminium bestehen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz zu 80% mit Aluminium­ oxid gefüllt ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Halb­ leiterscheiben (1, 2, 3) vorgesehen sind, und daß jede Halbleiterscheibe zwischen einem Plattenpaar (4, 5; 5, 6; 6, 7) eingespannt ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Halbleiter­ scheibe zwischen einem Paar von Platten angeordnet ist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Halb­ leiterscheibe innerhalb eines Ringes (16) in Stellung gebracht ist, die in einer Nut (12) einer benachbarten Platte (5 bzw. 6) aufgenommen ist.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (16) aus Polytetrafluoräthylen besteht.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Harz (19) als Kapsel für die Platten (4, 5, 6, 7) ausgebildet ist.

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich durch wenigstens eine Platte (5, 6, 7) erstreckender mit der bzw. den Kammern in Verbindung stehender Kanal (17) vorgesehen ist, der zum Zwecke der Verhinderung des Eintritts oder Austritts von Gas versiegelt ist.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer bzw. Kammern mit einem inerten Gas gefüllt ist bzw. sind.

11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe auf die erste thermisch und elektrisch leitfähige Platte aufgelegt wird, daß auf diese Platte das die Halbleiterscheibe umgebende Dichtungselement aufge­ bracht wird, daß die zweite Platte über die erste Platte gelegt und die Halbleiterscheibe zwischen den beiden Platten eingespannt und in der durch das Dichtungselement gebildeten Kammer in Stellung gehalten wird, und daß der außerhalb der Kammer befindliche Zwischenraum zwischen den beiden Platten mit einem elektrisch nicht leitfähigen, wärmeleitenden Harz ausgefüllt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Harz unter Vakuum aufge­ bracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein wenigstens eine Platte durchgreifender, in eine Kammer mündender Kanal hergestellt wird, daß die Kammer durch den Kanal evakuiert wird, und daß die Kammer mit einem inerten Gas gefüllt und der Kanal versiegelt wird.