DE3400197C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Derartige Halbleitereinrichtungen sind insbesondere als Hochstromhalb­ leitereinrichtungen einsetzbar.
Es ist auf dem Gebiet der Hochstromhalbleitereinrichtungen, insbesondere Hochstromgatter-Abschaltthyristoren (gate turn­ off=GTO), allgemein bekannt, daß die Kathodenseite des Ele­ mentes 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 um­ geben 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 11c vom P-Typ einen Kathoden­ basisbereich und ein Bereich 11d vom N-Typ einen Kathoden­ emitterbereich dar. Eine Anodenelektrode 10 ist auf dem Anoden­ emitterbereich 11a angeordnet und ist elektrisch mit demsel­ ben verbunden. Die Anodenelektrode 10 weist im allgemeinen eine Legierung eines Metalls mit einem thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten, der sich von dem des Siliziums (Si) kaum unter­ scheidet, auf, z. B. Molybdän (Mo). Der Kathodenemitterbereich 11d weist viele diskrete Inseln auf, auf denen Kathodenelek­ troden 12 montiert sind, damit sie in elektrischen Kontakt mit diesen Inseln kommen. Über die Kathodenbasisbereiche 11c um die Inseln der jeweiligen Kathodenemitterbereiche 11d herum sind Gate-Elektroden 13 angeordnet, die in elektrischer Ver­ bindung mit den Kathodenbasisbereichen gehalten werden. Die jeweiligen Kathodenelektroden 12 sind elektrisch miteinander über ein Kathodeneinsatzstück 14 verbunden, welches aus einem thermisch und elektrisch hochleitfähigem Metall, wie Molybdän (Mo) besteht. Damit die jeweiligen, die Kathodenemitterbereiche 11d umgebenden Gate-Elektroden 13 nicht in Kontakt mit dem Kathodeneinsatzstück 14 während des Pressens des Ele­ mentes kommen, werden die Kathodenbasisbereiche durch chemisches Ätzen oder andere wohlbekannte Methoden vertieft. Das Kathoden­ einsatzstück 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 das Kathodeneinsatzstück 14, das typisch aus Kupfer (Cu) be­ steht, z. B. Molybdän (Mo). Durch Pressen der beiden Elektroden­ blöcke 16 und 17 gegeneinander in Richtung des Pfeiles wird ein GTO-Element mit zufriedenstellender Wärmeabstrahlung erhalten.
Das Kathodeneinsatzstück 14 wird im allgemeinen durch Ätzen, Schneiden und andere Verfahren bearbeitet. Dabei entsteht not­ wendigerweise ein Grat an den Seitenbereichen des Kathoden­ einsatzstückes 14. Dieser Grat ist die Hauptsache 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 Verfahrensan­ wendung mit sich.
Eine Halbleitereinrichtung mit Druckontakt nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der DE 28 21 268 A1 bekannt. Bei der bekannten Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt wird der schalen­ förmige erste Leiter als Zwischenlage mit einem umgreifenden Kragen ausgebildet. In den verformten Bereichen wird die Materialstärke geringer als in den nicht verformten Bereichen ausgelegt. Zwar hat diese Vorgehensweise den Vorteil, daß der erste Leiter eine gewisse mechanische Stabilität hat, die Herstellungsweise für einen derartigen ersten Leiter ist jedoch sehr komplex und schwierig. In gewissen Bereichen des Materials, das den ersten Leiter bilden soll, muß vor dem Biegen Material weggenommen werden, so daß das Biegen erleichtert wird. Dieses Wegnehmen von Material ist ein aufwendiger Herstellungs­ schritt. Darüber hinaus bilden sich nach dem Biegen an den Übergängen der Bereiche geringer Materialstärke zu den Bereichen höherer Materialstärke scharfe Kanten. Diese scharfen Kanten haben ähnliche Wirkung wie die oben diskutierten Grate und verursachen daher die entsprechenden Probleme.
Aus der DE-OS 25 56 749 ist eine Halbleitereinrichtung mit Druck­ kontakt bekannt, bei der der Wärmefluß von der Halbleitereinrichtung zu den Elektrodenblöcken optimiert werden soll. Dazu wird zwischen einer napfförmigen Elektrode, einer Druckplatte und einem Elektroden­ block jeweils eine Wärmeleitschicht wie eine Wärmeleitpaste auf Silikonbasis vorgesehen. Diese Wärmeleitpaste hat den Nachteil, daß erstens ihr elektrischer Widerstand relativ groß ist und zweitens sie sich beim Stromdurchfluß im Laufe der Zeit zersetzt. Daher muß zusätzlich eine Stromzuführungselektrode von der Halbleitereinrichtung zu dem Elektrodenblock zum Umgehen der Wärmeleitschichten vorgesehen sein. Durch diese Anordnung wird die Halbleitereinrichtung sehr kompliziert und teuer in der Herstellung
Weiterhin ist aus der DE 30 09 511 A1 eine Halbleitervorrichtung mit Druckkontakten bekannt, bei der gegen das Halbleiterelement eine ringförmige Metall­ scheibe gepreßt wird. Die ringförmige Metallscheibe hat zur Steuerung der Druckverteilung abgerundete Kanten. Es ist jedoch sehr schwierig, eine ringförmige Metallscheibe herzustellen, die abgerundete Kanten aufweist. Diese abgerundeten Kanten müssen mit einem Spezialwerkzeug erzeugt werden. Weiterhin muß der Leiter während der Montage durch Silikongummi oder ähnliches fixiert werden, damit kein Verrutschen während der Montage auftreten kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, bei der der erste Leiter trotz des Druckes keine schädlichen Aus­ wirkungen auf das Halbleiterelement ausübt, dabei jedoch einfach herzustellen und leicht zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt, die durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekenn­ zeichnet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 als Querschnitt eine konventionelle Halbleiterein­ richtung mit Druckkontakt;
Fig. 2 als Querschnitt eine Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 3 als Querschnitt einen schalenförmigen ersten Leiter und einen in den ersten Leiter eingepaßten zweiten Leiter zur Verwendung in der Halbleitereinrichtung gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 2 wird ein Querschnitt einer Halbleitereinrichtung gezeigt, bei der die Gratbildung an einem Kathodeneinsatz­ stück keine Gefahr bildet. Dabei sind Komponenten, die ähn­ lich wie in Fig. 1 sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Gate-Elektroden 13, welche im Zentrum des GTO-Elementes 11 vorgesehen sind, werden durch Anschlüsse 51 nach außen geführt. Bei der gezeigten Struktur kann der zentrale Bereich des GTO-Elementes 11 in eine kreisförmige Form mit geeignetem Durchmesser geformt sein (es sind auch andere Formen wie z. B. ein Hexagon oder ein Quadrat anwendbar).
Jede der Kathodenelektroden 12 weist einen schalenförmigen ersten Leiter 245 und einen zweiten Leiter 246 auf, der in den ersten Leiter eingepaßt ist und mit diesem in elektri­ schem Kontakt gehalten wird. Alle Kathodenelektroden sind miteinander durch das derart aufgebaute Kathodeneinsatz­ stück 24 elektrisch verbunden. Auf dem Kathodeneinsatzstück 24 über den Kathodenelektroden 12 ist der erste Elektroden­ block 17 montiert, welcher in elektrischer Verbindung mit dem Kathodeneinsatzstück 24 gehalten wird. Der zweite Elek­ trodenblock 16 ist auf den Anodenelektroden 10 angeordnet und mit denselben elektrisch verbunden. Zur guten Wärmeab­ strahlung bestehen die auf der Kathoden- und Anodenseite vorgesehenen ersten und zweiten Elektrodenblöcke 17 und 16 aus Kupfer (Cu). Ein Hochstrom-GTO-Element mit zufriedenstel­ lender Wärmestrahlung wird schließlich erhalten durch Pressen der beiden Blöcke 16 und 17 gegeneinander in Richtung des Pfeiles.
In dem in Fig. 2 gezeigten Fall muß der schalenförmige erste Leiter 245 gebogen werden und in Übereinstimmung mit der am besten in Fig. 3(a) gezeigten Form gebogen und bearbeitet werden. Außerdem ist es notwendig, einen relativ dicken zweiten Leiter 246 so zu bearbeiten, daß er in den ersten Leiter 245 eingepaßt werden kann.
Im allgemeinen ist Molybdän (Mo) ein geeignetes Material für den schalenförmigen ersten Leiter 245. Die Dicke von Molybdän, die auf einfache Weise ein Biegen ermöglicht, ist 200 µm oder weniger. Deshalb muß die Dicke des ersten Leiters 245 200 µm oder weniger sein. Für den Fall, daß der erste Leiter 245 eine Dicke zwischen 100 bis 200 µm aufweist, be­ steht die Gefahr, daß der erste Leiter 245 während des Pres­ sens des Elementes gebogen wird, wodurch ein Kurzschluß entstehen kann.
Wie der erste Leiter 245 besteht der zweite Leiter 246 vor­ zugsweise aus Molybdän (Mo). Die Dicke des zweiten Leiters 246 aus Molybdän ist vorzugsweise 500 µm oder mehr. Es macht nichts aus, ob einige Grate an Randbreiten des zweiten Lei­ ters 246 vorhanden sind, da er in den ersten schalenförmigen Leiter 245 eingepaßt ist.
Die Biegebreite W des ersten Leiters 245 ist größer (W₁) und nicht kleiner (W₂) als die Dicke (beispielsweise 1 mm) des relativ dicken zweiten Leiters 246, der dahinein einge­ paßt wird. Wenn nämlich die Biegebreite W gleich W₂ ist oder wenn sie kleiner als die Dicke des zweiten Leiters 246 ist, ist es notwendig, den zweiten Leiter 246 an Ort und Stelle zu fixieren mittels Silikongummis oder anderen wohlbekannten Materialien, genauso wie bei einer konventionellen Einrich­ tung, was nachteilig ist. Wenn jedoch die Biegebreite W gleich W₁ oder größer als die Dicke des zweiten Leiters 246 ist, dann kann ein Teil des ersten Elektrodenblockes 17 in den ersten Leiter 245 eingepaßt werden. Dadurch werden das Herstellungsverfahren und die Montage erleichtert.
Wie schon erwähnt wurde, wird der schalenförmige erste Leiter 245 des Kathodeneinsatzstückes 24 durch Biegen vervollstän­ digt, so daß der Biegebereich abgerundet ist und keine Grate aufweist. Bei der Halbleitereinrichtung besteht kein Problem eines Kurzschlusses während des Pressens der Einrichtung, so wie es bei einer konventionellen Einrichtung auftrat, da die jeweiligen Kathodenelektroden 12 elektrisch über einen gratfreien schalenförmigen ersten Leiter 245 elektrisch verbunden sind.

Claims (6)

1. Halbleitereinrichtung mit Druckkontakt mit
  • - einem Halbleiterelement (11) mit mindestens einer Kathode (12) und einer Anode (10),
  • - einem Paar von gegen das Halbleiterelement (11) gepreßten Elektrodenblöcken (16, 17), und
  • - einem zwischen einem ersten Elektrodenblock (17) des Paares von Elektrodenblöcken (16, 17) und dem Halbleiter­ element (11) angeordneten und mit dem ersten Elektroden­ block (17) in elektrischem Kontakt gehaltenen schalen­ förmigen ersten Leiter (245) mit einer in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiterelement (11) gehaltenen Bodenplatte, einer an dem äußeren Rand der Bodenplatte hochgebogenen Wand, wobei mindestens ein Bereich des ersten Elektrodenblockes (17) fest in den ersten Leiter (245) eingepaßt ist, und einer Öffnung in der Mitte der Bodenplatte,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der erste Leiter (245) eine an der Öffnung hoch­ gebogene Wand aufweist,
  • - daß die Biegestellen am äußeren Rand und an der Öffnung abgerundet sind und
  • - daß ein ringförmiger zweiter Leiter (246) in den ersten Leiter eingepaßt und in elektrischem Kontakt damit ge­ halten ist.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand und der Rand der Öffnung in der Bodenplatte des schalenförmigen ersten Leiters (245) kreisförmig ausgebildet sind.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leiter (245, 246) aus Molybdän bestehen.
4. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (245) relativ dünn ist und der zweite Leiter (246) relativ dick ist.
5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ersten Leiters (245) 200 µm oder weniger und die Dicke des zweiten Leiters (246) 500 µm oder mehr ist.
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