DE3400197A1 - Halbleitereinrichtung - Google Patents

Halbleitereinrichtung

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Description

Halbleitereinrichtung
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung und insbesondere eine Halbleitereinrichtung, bei der. eine Kathode in eine Mehrzahl von diskreten miteinander durch eine Platte.verbundene Inseln geteilt ist und wobei die Kathodenseite gegen .5 die Anodenseite gepreßt ist. .' '
Es ist auf dem Gebiet der Hochstromhalbleitereinrichtungen, insbesondere Hochstromgatter-Abschaltthyristoren (gate turn-' off = GTO), allgemein bekannt, daß die Kathoden.seite des Elementes gegen seine Anodenseite gepreßt wird (Preßmethode). Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird konventionell eine Hochstrom-GTO-Struktur, die große Ströme abschalten kann, so angepaßt,·, .daß eine Mehrzahl von Kathodenemittern in der Form,von Inseln gebildet werden, von denen jede mit einer'Gatterelektrode-umgeben-ist. . ' ■ . _■ .' ".'.··.-.
Ein Halbleiterelement 11 in Fig. 1 ist ein GTO und.hat eine P-N-P-N-Vierschichtenstruktur, Eine Schicht 11a vom P-Typ stellt einen Anodenemitterbereich, eine Schicht 11b vom N-Typ· einen. Anodenbasisbereich, eine Schicht lic vom P-Typ einen Kathodenbasisbereich und ein Bereich lld vom N-Typ einen Kathoden- .
emitterbereich dar. Eine Anodenelektrode 10 ist auf dem Anodenemitterbereich 11a angeordnet und ist elektrisch, mit demselben verbunden. Die Anodenelektrode 10 weist im allgemeinen eine Legierung eines Metalls, mit .einem thermischen Ausdehnungs-
coPY
■'_· koeffizienten, der sich von dem des. Siliziums (Si) kaum unterscheidet, auf j z.B. Molybdän (Mo). Der Kathodenemitterbereich lld weist viele diskrete Inseln auf, auf denen Kathodenelektroden 12 montiert sind, damit sie in elektrischen Kontakt mit ■ diesen Inseln .kommen. Über die Kathodenbasisbereiche lic um 'die Inseln der jeweiligen Kathodenemitterbereiche lld herum sind Gate-Elektroden 13 angeordnet, die in elektrischer Verbindung mit den Kathodenbasisbereichen gehalten werden. Die jeweiligen Kathodenelektroden 12 sind elektrisch miteinander . · über ein Kathodeneinsatzstück 14 verbunden, welches aus einem thermisch und elektrisch hochleitfahigem Metall, wie Molybdän (Mo) besteht. Damit die jeweiligen, die Kathodenemitterbereiche lld umgebenden Gate-Elektroden 13 nicht in Kontakt mit dem Kathodeneinfügungsstück 14 während des Pressens des EIementes kommen, werden die Kathodenbasisbereiche durch chemisches Ätzen oder ander.e wohlbekannte Methoden vertieft. Das Kathodeneinsatzstück 14 wird an dem GTO-Element 11 durch Verwendung
• von Silikongummi 18 oder andere konventionelle Materialien be- ■
• festigt, damit .es sich nicht während der Montage bewegt.
Zwei Elektrodenblöcke 16 und 17 sind auf der Anodenelektrode 10 und dem'Kathodeneinsatzstück 14 so angeordnet, daß sie in elektrische Verbindung mit denselben jeweils kommen.·Diese
• Elektrodenblöcke 16 und 17 bestehen aus einem Material, mit ■ sehr hoher thermischer Leitfähigkeit und guter Affinität für
25· das Kathodeneinsatzstück 14, das typisch aus Kupfer (Cu) be-• steht, z.B. Molybdän (Mo). Durch Pressen der beiden Elektrodenblöcke 16 und 17 gegeneinander in Richtung des Pfeiles wird .ein GTO-Element mit zufriedenstellender Wärmeabstrahlung erhalten. . . '
30. Beim Stand der Technik ist es wohlbekannt, daß die oben be- · ■ schriebene Struktur eine Halbleitereinrichtung für Hochstromänwendungen geeignet ist, da die Anoden und Kathodenelektroden-
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• ft
blöcke 16 und 17 bezüglich der Wärmeabstrahlung sehr effektiv sind. Ein*besonderes Problem bei der obigen Struktur einer . ·■ Halbleitereinrichtung liegt darin, daß das Kathodeneinsatzstück 14 zwischen dem Elektrodenblock 17 und den Kathoden.elektroden 12.angeordnet ist.
Das Kathodeneinsatzstück 14 wird im allgemeinen durch Ätzen, 'Schneiden und andere Verfahren-bearbeitet. Dabei-entsteht notwendigerweise ein Grat an den Seitenbereichen des Kathodenein'sat ζ Stückes 14. Dieser Grat ist die Hauptursache eines Kurzschlusses mit der Gate-Elektrode während des Pressens der Halbleitereinrichtung. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden ist, das Kathodeneinsatzstück so zu bearbeiten, daß solche Grate entfernt werden. Dieses Vorgehen bringt jedoch eine andere Schwierigkeit vom Standpunkt der Verfahrensanwen-
dung mit sich. "
Es ist deshalb Hauptaufgabe der Erfindung, eine Halbleitereinrichtung zu schaffen, die das Kurzschlußproblem, wie es von einem Grat an einem Randbereich eines Kathodeneinsatz- . Stückes während des Pressens der Einrichtung verursacht wird, . -nicht aufweist. ' ' ■
Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung bei der'eine Kathode in .eine Mehrzahl von diskreten Inseln unterteilt ist, die miteinander mittels einer Platte verbunden sind und deren Anodenseite gegen die Kathodenseite gepreßt wird.
·Erfindungsgemäß wird eine Halbleitereinrichtung vorgesehen, gekennzeichnet durch ein Halbleiterelement mit mindestens einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode in eine Mehrzahl von Inseln unterteilt ist, und mit einem- Kathodeneinsatz-
stück mit einem schalenförmigen ersten Leiter und einem darin eingepaßten zweiten Leiter, der in elektrischem Kontakt mit dem ersten. Leiter gehalten wird, wobei das Unterteil des scha-. lenförmigen· ersten Leiters in elektrischem Kontakt mit dem ersten Leiter gehalten wird, wobei die Kathodenseite gegen die Anodenseite gepreßt wird. ' ·
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Zweckmäßigkeiten, der, Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung .von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: "· >
Fig. 1 als Querschnitt eine konventionelle Hochstromhalbleitereinrichtung nach dem Preßverfahren;
Fig. 2 als Querschnitt eine Hochstromhalbleitereinrichtung nach dem Preßverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 als Querschnitt einen schalenförmigen ersten Leiter und einen in den ersten Leiter eingepaßten zweiten Leiter für die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung;
Fig. 4 als Querschnitt den schalenförmigen ersten Leiter in der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung und das ' Verfahren zu seiner Herstellung;
Fig. 5 als Querschnitt eine Hochstromhalbleitereinrichtung nach dem Preßverfahren gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
und
..25 ' Fig. 6 als Querschnitt einen schalenförmigen ersten Leiter und einen in den ersten Leiter eingepaßten zweiten Leiter zur Verwendung in der Halbleitereinrichtung . ■' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 2 wird ein Querschnitt einer Halbleitereinrichtung, gemäß einer-bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 'gezeigt. Wie bei konventionellen Einrichtungen weist die. gezeigte Halbleitereinrichtung ein Gatter-Abschalt-Thyristor (GTO)-Element 21 einer P-N-P-N-Vierschichtenstruktur auf. Bei dieser Struk-. tür stellt eine Schicht 21a vom P-Typ einen Anodenemitterbereich, ,eine Schicht 21b vom N-Typ einen Anodenbasisbereich, eine Schicht 21c vom P-Typ einen Kathodenbasisbereich und eine Schicht 21d vom N-Typ einen Kathodenemitterbere'ich dar.
Über dem'Anodenemitterbereich 21a ist eine Anodenelektrode-20 angeordnet, die aus einer Legierung eines Metalles mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der sich von'dem des Siliziums (Si) unterscheidet, beispielsweise Molybdän (Mo) und die mit jenem Bereich in elektrischer Verbindung ge- · halten wird. Der Kathodenemitterbereich 2Id- vom N-Typ ist in drei'diskrete Inseln unterteilt, auf denen die Kathodenelektroden 22 in elektrischer Verbindung mit jenen Bereichen montiert sind. Es sind weiter Gate-Elektroden 23 vorgesehen, welche die Kathodenemitterbereiche 21d umgeben und in'elektrischem Kontakt mit Oberflächen der Kathodenbasisregionen 21 gehalten werden. · . · : ·
Jede der Kathodenelektroden 22 weist einen schalenförmigen ersten Leiter 241 und einen zweiten Leiter 242 auf, der in den ersten Leiter eingepaßt ist und mit diesem in elektrischem Kontakt gehalten wird. Alle Kathodenelektroden sind miteinander durch ein Kathodeneinsatzstuck 24 elektrisch verbunden. Auf dem Kathodeneinsatzstück 24 über den Kathodenelektroden 22 ist ein erster Elektrodenblock. 27 montiert, welcher in elektrischer Verbindung mit dem Kathodeneinsatz'stück 24 gehalten wird. Ein zweiter Elektrodenblock 26 ist auf den 'Anodenelektroden 20 angeordnet und mit denselben elektrisch verbunden.
COPY
Zur guten Wärmeabstrahlung bestehen die auf der Kathoden- und Anodenseite vorgesehenen ersten und zweiten Elektrodenblöcke 27.und 26 aus Kupfer (Cu). Ein Hochstrom-GTO-Elemenf mit zufriedenstellender Wärmestrahlung wird schließlich erhalten B durch Pressen der·beiden Blöcke 26 und 27 gegeneinander in . . Richtung des Pfeiles.
' ' Fig. 3 ist ein Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten Kathodeneinsatzstückes 2'4. Aus Fig. 3 (a) ist ersichtlich, daß der scha-. lenförmige erste Leiter 241 des Kathodeneinsatzstückes 24 durch Biegen einer relativ dünnen Platte erhalten wird.
Fig.. 4 zeigt eine Art und Weise, wie eine leitfähige Platte in vertikaler Richtung an einer Stelle, die geeignet von ihrem ' Rand entfernt ist, gebogen wird zur Bildung der Schalenform des ersten Leiters 241.
Wie aus Fig. -3 (b) ersichtlich ist, ist der zweite Leiter des-Kathodeneinsatzstückes 24 eine relativ dicke leitfähige Platte oder eine Planke. Dieser relativ dicke zweite Leiter 242 wird in^den ersten schalenförmigen Leiter 241 eingepaßt damit dieser verstärkt wird. ■ ' ·'
20. Im allgemeinen ist Molybdän (Mo) ein geeignetes Material für den schalenförmigen ersten Leiter 241. Die Dicke von Molybdän, die auf einfache Weise ein Biegen ermöglicht, ist 200μΐη oder weniger. Deshalb muß die Dicke des ersten Leiters .241 200μπι
. oder weniger sein. Für den Fall, daß der erste Leiter 241 eine Dicke zwischen 100 bis 200μπι benutzt wird, besteht die Gefahr, daß der zweite Leiter 241 während des Pressens des Elementes gebogen wird,.wodurch ein Kurzschluß entstehen kann. Um den ersten Leiter 241, der typisch aus Molybdän besteht, physisch zu unterstützen, ist es erwünscht, daß der relativ dicke zweite. Leiter 242 in den ersten Leiter eingelegt wird. Wie der
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erste Leiter 241 besteht der zweite Leiter 242 vorzugsweise aus Molybdän (Mo). Die Dicke des zweiten Leiters 242 aus : /' Molybdän ist vorzugsweise 500μπι oder mehr. Es macht nichts aus, ob einige Grate an Randbe.reichen des. zwei ten Leiters .vorhanden sind, da er in den ersten schalenformigen Leiter 241 eingepaßt ist. . . . . ■■·
Die Biegebreite W des ersten Leiters 241 kann breiter (W1) . oder enger (¥„) als die Dicke (beispielsweise 1 mm) des relä tiv dicken zweiten Leiters 242 der dahinein eingepaßt wird, sein. Wenn die Biegebreite W W? ist oder wenn sie enger als die Dicke des zweiten Leiters 242 ist, ist es notwendig, den ersten. Leiter 241 an Ort und Stelle zu fixieren mittels SiIikongummis oder anderen wohlbekannten Materialien, genauso wie bei einer konventionellen Einrichtung. Wenn jedoch die Biegebreite W W1 oder breiter als die Dicke des zweiten Leiters 242 ist., dann kann ein Teil des ersten Elektrodenblbckes 27 in den zweiten Leiter 242 eingepaßt werden.'Vom Standpunkt eines Herstellungsverfahrens ist in diesem Zusammenhang die letztere Methode erwünschter. . ·
Wie schon erwähnt wurde, wird der .schalenförmige erste'Leiter 241 des Kathodeneinsatzstückes 242 durch Biegen vervollständigt, so daß der Biegebereich abgerundet ist und keine"Grate aufweist. Bei der Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegen-^ den Erfindung besteht kein Problem eines Kurzschlusses während
25' des -Pressens der Einrichtung so wie es bei einer konventionellen-Einrichtung auftrat, da die jeweiligen Kathodenelektroden 22 elektrisch über einen gratfreien schalenformigen ersten Leiter 241 elektrisch verbunden sind..
Fig.. 5 ist ein Querschnitt einer Halbleitereinrichtung·.gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Bei. der Einrichtung nach Fig. 5 sind im Zentrum des GTO-Ele-i • mentes Anschlußstrukturen für die Gate-Elektroden 23 vorgesehen. In Fig. 5 werden Komponenten, die ähnlich wie jene in Fig.. 2 sind,· mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet, wo-.5 bei deren ausführliche Beschreibung dann weggelassen wird.
Die Gate-Elektroden 23 im Zentrum des.GTO-Elementes 21 werden durch Anschlüsse 51 nach außen geführt. Bei der gezeigten Struktur kann der zentrale Bereich des GTO-Elementes 21 in eine kreisförmige Form mit geeignetem Durchmesser geformt sein (es sind auch andere Formen wie z.B. ein Hexagon oder ein Quadrat anwendbar). In diesem Fall muß ein schalenförmiger erster Leiter 245 gebogen werden und in Übereinstimmung mit
der am besten in Fig. 6 (a) gezeigten Form bearbeitet werden. ■
Außerdem ist es notwendig, einen relativ dicken zweiten Lei- ! 15 ter 246 so zu· bearbeiten, daß er in den ersten Leiter. 245 ein-. gepaßt werden kann.
■β ■
Leerseite -
COPY

Claims (1)

  1. PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9.O
    FO 38-2954 -■..." P/M/hu
    ■■ Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan
    Halbleitereinrichtung
    PATENTANSPRÜCHE
    Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch: ' -.·_-.
    ein Halbleiterelement (11) mit mindestens einer Kathode (12) · * und einer Anode (10), wobei die Kathode (12) in eine Mehr- ■ ■ zahl von Inseln unterteilt ist, und ■ .
    ein Kathodeneinsatzstück (14) mit einem schalenförmigen ersten Leiter (241) und einem in den ersten Leiter (241) eingepaßten .' zweiten Leiter (242) in elektrischem Kontakt mit dem ersten Leiter (241), wobei das Unterteil des schalenförmigen ersten Leiters ('24I) in elektrischem Kontakt mit der Kathode (12) ■ gehalten wird, · ' '
    wobei ihre Kathodenseite gegen ihre Anodenseite gepreßt wirdl
    2.'Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (11) eine
    PNPN-Vierschichtenstruktur aufweist. . =
    PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8000 MÜNCHEN ΘΟ · W1LLROIDERSTR. 8 ■ TEL. (O89)64O64O
    COPY
    3.■Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (11) ■' ein .Gatter-Abschaltthyristor, ist. ·
    4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3,
    gekennzeichnet durch: ·
    ein Paar von Elektrodenblöcken (16, 17) zum Pressen der Kathodenseite.des Halbleiterelementes (11). gegen seine Anodenseite, wobei dieses.Paar einen ersten Elektrodenblock (17) angeordnet auf dem Kathodeneinsatzstück (14) und in elektrischem Kontakt damit.und einen zweiten Elektrodenblock (16) angeordnet auf der Anode (10) und in elektrischem Kontakt damit aufweist. ·' · ■
    5. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des schalenförmigen ersten Leiters (241) größer ist als die Dicke des zweiten Leiters (242), so daß mindestens ein Bereich des ersten Elektrodenblockes (17) fest in den schalenförmigen ersten leiter (241) eingepaßt ist.
    6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, . dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter
    (241/ 242) aus Molybdän bestehen.. ·' .
    7. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6', dadurch' gekennzeichnet, daß der erste Leiter (241). relativ dünn ist und der zweite Leiter (242) relativ dick ist.
    8. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, ·. dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des schalenförmigen ersten Leiters (241) 200μ,ΐη oder weniger und die Dicke des zweiten Leiters (242) 500μηη oder mehr ist.
    9. .Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch:
    ♦ tt «a
    ein Halbleiterelement (11) mit einer PNPN-Vierschichtenstruktur eines Stapels (21) eines Anodenemitterbereiches (lla), eines.Anodenbasisbereiches (Hb), eines .Kathodenbasisbereiehes (lic) und eines Kathodenemitterbereiches (lld) in dieser Reihenfolge, wo-' bei der Kathodenemitterbereich in eine Mehrzahl von Inseln unterteilt ist, wobei die Oberflächen dieser jeweiligen Inseln von einer Oberfläche des Kathodenbasisbereiehes hervorragen, eine Anodenelektrode (20) in elektrischer Verbindung mit einer Oberfläche des Anodenemitterbereiches des Halbleiterelemen-
    tes (11), . ■ ■ ' ■
    Gate-Elektroden (23) in elektrischer Verbindung mit der Oberfläche des Kathodenbasisbereiehes des Halbleiterelementes, die die jeweiligen Inseln umgeben, . .' . ;
    Kathodenelektroden (22) in elektrischer Verbindung mit Oberflächen der jeweiligen Inseln des Halbleiterelementes (11), ein Kathodeneinsatzstück (24) mit einem ersten Leiter (245) mit. einem Unterteil und einem sich von diesem erstreckenden und am Randbereich des Unterteiles gebogenen Seitenteil, und mit einem zweiten Leiter (246), der in den ersten Leiter (245) eirigepaßt ist und in elektrischem Kontakt damit gehalten wird, wobei das Unterteil des ersten Leiters (245) in elektrischem Kontakt mit.Oberflächen der jeweiligen Kathodenelektroden (22) ist,' · ' ' einen ersten Elektrodenblock (27) in elektrischem Kontakt mit einer·Oberfläche des Kathodeneinsatzstückes (24), und einen zweiten Elektrodenblock (2.6) in elektrischem Kontakt, miteiner Oberfläche der Anodenelektrode (20) zum Aufeinanderschichten unter Druck des Halbleiterelementes (21) und des Kathodeneinsatzstücke.s (24) zwischen den ersten und zweiten Elektrodenblöcken (27, 26). " .
    10. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (21) ein Gateturn-off-Thyristor ist. ■ ■ . · ·
    CGPY
    „ „ „ · · # ■· · -A-
    "il. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Seitenbereiche.des ersten Leiters (245) größer ist als die Dicke des zweiten Leiters (246), so'daß mindestens, ein Bereich des ersten Elektroden-5; blockes (27)· fest in den ersten Leiter (24.5) eingepaßt ist.
    • 12. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ·' dadurch gekennzeichnet, daß die.ersten und zweiten Leiter .' (245, 246.) aus Molybdän bestehen.
    13. Halbleitereinrichtung. nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter
    - (245, 246) eine runde Form jeweils aufweisen. ·
    14. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ·■ dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (245, 246) jeweils eine Toroidform aufweisen.
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