DE4040753A1 - Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiterbau­ element nach den gleichlautenden Oberbegriffen der Patent­ ansprüche 1 bis 3.

Ein Bauelement dieser Art ist aus der EP-A-02 42 626 bekannt. Üblicherweise werden solche Bauelemente in ein gasdichtes Ge­ häuse eingebaut, um sie vor mechanischen Beschädigungen und schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Dabei müssen sowohl der elektrische Widerstand der entstehenden Anordnung als auch deren thermischer Widerstand möglichst klein gehalten werden, um einen verlustarmen Betrieb und eine effektive Kühlung des Bauelements zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiterbauelement der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, dessen elektrische und thermische Ei­ genschaften gegenüber den herkömmlichen Bauelementen dieser Art verbessert sind. Das wird erfindungsgemäß durch eine Aus­ bildung nach den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 2 oder 3 erreicht.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß die einzelnen Teile des Bauelements an ihren vom Laststrom durchflossenen, miteinander zu verbindenden Flächen durch Anwendung eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens materialschlüssig zusammengefügt sind. Vergleicht man die gekapselten Ausführungsformen des Leistungshalbleiterbauele­ ments nach der Erfindung mit den bekannten Leistungshalb­ leiterbauelementen in gekapselter Bauweise, so ergibt sich weiterhin der Vorteil einer starken Reduzierung von Kapsel­ volumen und Kapselgewicht.

Die Ansprüche 4 bis 9 sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger, in der Zeich­ nung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer flachen Ge­ häuseform,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung von Niedertemperatur­ verbindungsverfahren,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer topfartigen Gehäuseform,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine siedegekühl­ te Anlage, die

Fig. 5 und 6 vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aus­ führungsbeispiels und die

Fig. 7 und 8 zwei weitere Ausführungsbeispiele, bei denen das Leistungshalbleiterbauelement steuerbar ausgebildet ist.

In Fig. 1 ist eine großflächige Halbleiterdiode mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 aus dotiertem Halbleiter­ material, z. B. Silizium, dargestellt, der einen planaren pn- Übergang 2 enthält. Das unterhalb des pn-Übergangs 2 liegende Halbleitergebiet ist dabei n-leitend, während das Halbleiter­ gebiet oberhalb von 2 p-leitend ist. Der Halbleiterkörper 1 ist an seiner kathodenseitigen Hauptfläche 3 mit einer Sub­ stratscheibe 4 verbunden, die beispielsweise aus Molybdän besteht. Weiterhin ist eine vorzugsweise ebenfalls aus Molyb­ dän bestehende Substratscheibe 5 an seiner anodenseitigen Hauptfläche 6 angefügt.

Die Verbindung der Teile 1, 4 und 5 erfolgt vorzugsweise nach einem an sich bekannten, als Drucksintern bezeichneten Ver­ fahren der Niedertemperaturverbindungstechnik, das anhand von Fig. 2 näher erläutert wird. Dabei werden die Substratschei­ ben 4 und 5 entweder an ihren mit dem Halbleiterkörper 1 zu verbindenden Oberflächen oder auch allseitig mit galvanisch aufgetragenen Kontaktschichten 7 bzw. 8 versehen, die etwa 2 bis 3 µm dick sind und z. B. aus Silber bestehen. Die Ober­ seite und die Unterseite des Halbleiterkörpers 1 werden je­ weils mit einer Schichtfolge überzogen, die aus einer etwa 1 µm starken Al-Schicht, einer auf dieser aufgetragenen, etwa 100 nm dicken Titanschicht, einer über dieser liegenden, etwa 500 nm dicken Mittelschicht, z. B. aus Nickel oder Platin, und schließlich einer diese abdeckenden, etwa 200 nm starken Sil­ berschicht besteht. In Fig. 2 sind lediglich die als Kon­ taktierungsschichten dienenden Silberschichten dargestellt und mit 9 und 10 bezeichnet. Anschließend wird auf den Kontak­ tierungsschichten 7 und 8 jeweils eine Paste 11 und 12 schichtförmig, und zwar mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 100 µm, vorzugsweise etwa 20 µm, aufgetragen. Als Ausgangs­ stoff für die Herstellung der Paste 11, 12 wird Silberpulver mit plättchenförmigen Pulverpartikeln verwendet, das in Cyclo­ hexanol als Lösungsmittel suspendiert wird. Anschließend wird die so hergestellte Paste im Vakuum entgast, um beim Trocknen eine Lunkerbildung zu vermeiden.

Nach dem Trocknen der Pasten 11 und 12 werden der Halbleiter­ körper 1 mit seiner Kontaktierungsschicht 9 auf die von der Paste 11 bedeckte Oberseite der Substratscheibe 4 und die Substratscheibe 5 mit ihrer von der Paste 12 bedeckten Unter­ seite auf die Kontaktierungsschicht 10 des Halbleiterkörpers 1 aufgesetzt und die gesamte aus den Teilen 1, 4 und 5 bestehen­ de Anordnung auf eine Sintertemperatur von z. B. 230°C ge­ bracht. Bei dieser Temperatur wird auf die Anordnung 1, 4, 5 während einer Sinterzeit von etwa einer Minute ein Druck von mindestens von 900 N/cm² ausgeübt. Es ist jedoch darauf hin­ zuweisen, daß bereits bei Sinterzeiten von einigen Sekunden eine ausreichende Verbindung der genannten Teile erreicht wird und daß der Druck auch auf 1 bis 2 t/cm² gesteigert werden kann. Die Sintertemperatur kann in einem Bereich liegen, der einen unteren Grenzwert von etwa 150°C und einen oberen Grenz­ wert von etwa 250°C aufweist. Weiterhin ist hervorzuheben, daß das Drucksintern in normaler Atmosphäre vorgenommen wird, d. h. eine Anwendung von Schutzgas nicht erforderlich ist.

Ein weiteres, für die Verbindung der Teile 1, 4 und 5 geeig­ netes Verfahren der Niedertemperaturverbindungstechnik ist das Diffusionsschweißen. Dabei werden die Substratscheiben 4 und 5 gemäß Fig. 2 mit Kontaktschichten 7 und 8 versehen, während auf die Unterseite und die Oberseite des Halbleiterkörpers 1 Edelmetall-Kontaktierungsschichten 9 und 10 aufgebracht wer­ den, die vorzugsweise aus Gold oder Silber bestehen. Es ist vorteilhaft, unter den Kontaktierungsschichten 9 und 10 noch metallische Zwischenschichten, z. B. aus Al, Ag, Cu oder Au, mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 20 µm vorzusehen. Diese Zwischenschichten sind plastisch verformbar, um die Rauhtiefen der miteinander zu verbindenden Flächen auszugleichen. Falls die Zwischenschichten aus Edelmetall bestehen, können die Kontaktierungsschichten 9 und 10 auch entfallen, da sie in diesem Fall durch die Zwischenschichten ersetzt werden. Die in dieser Weise beschichteten Teile 1, 4 und 5 werden nun so auf­ einander gesetzt, daß die Unterseite des Halbleiterköpers 1 die Kontaktierungsschicht 7 der Substratscheibe 4 berührt und die Oberseite von 1 der Kontaktierungsschicht 8 der Substrat­ scheibe 5 anliegt. Anschließend werden die Teile 1, 4 und 5 auf eine Temperatur gebracht, die etwa im Bereich von 150 bis 250°C liegt, also in einem gemäßigten Temperaturbereich, der mit der Betriebstemperatur eines Leistungshalbleiters ver­ gleichbar ist. Dabei werden diese Teile mit einem Anpreßdruck von etwa 500 bis 2500 kp/cm² oder darüber während einer Diffu­ sionszeit von einigen Minuten zusammengepreßt. Aber auch bei Diffusionszeiten von nur wenigen Sekunden werden schon aus­ reichende Ergebnisse erzielt. Andererseits kann der Druck auf über 2,5 t/cm² gesteigert werden. Auch das Diffusions­ schweißen erfolgt zweckmäßigerweise in einer normalen Atmos­ phäre ohne die Anwendung eines Schutzgases.

Jedes der vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren kann dazu benutzt werden, um zunächst eine Verbindung der Teile 1 und 4 herzustellen, wobei sich dann ein weiteres solches Verfahren anschließt, um die entstandene Anordnung 1, 4 mit der Substratscheibe 5 zu verbinden.

Die miteinander verbundenen Teile 1, 4 und 5 werden anschlie­ ßend mit einem z. B. aus aushärtbarem Kunststoff bestehenden Kunststoffmantel 13 (Fig. 1) versehen, der die Ränder der Substratscheiben 4 und 5 miteinander verbindet und sie bei 14 und 15 geringfügig seitlich umschließt. Die Substratscheiben 4 und 5 bilden die leitenden Außenwände eines das Halbleiterbau­ element umgebenden Gehäuses, das durch den Kunststoffmantel 13 so weit ergänzt wird, daß es nach außen vollständig abgeschlos­ sen ist. Die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Bauelements werden gegenüber den herkömmlichen Bauelementen vergleichbarer Art erheblich verbessert, wobei Volumen und Gewicht des Gehäuses bzw. der Kapsel erheblich reduziert werden.

Für ein nach der Erfindung ausgebildetes Leistungshalbleiter­ bauelement ist es vorteilhaft, den thermischen Ausdehnungsko­ effizienten der Substratscheiben 4 und 5 sowie die Verbin­ dungstemperatur so einzustellen, daß zwischen der niedrigsten Betriebstemperatur und der Verbindungstemperatur keine das Bauelement zerstörenden mechanischen Spannungen auftreten können. Durch die Anwendung der erwähnten Verfahren der Nieder­ temperaturverbindungstechnik und durch eine geeignete Wahl des Substratmaterials, das z. B. aus Mo, W oder einem Cu/Mo-Sinter­ werkstoff bestehen kann, wird dies erreicht.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt ein topfartig ge­ formtes Gehäuse für ein Leistungshalbleiterbauelement 1, das, wie bereits beschrieben, mit zwei Substratscheiben 4 und 5 verbunden ist. Mit 16 ist ein metallischer Gehäuseboden be­ zeichnet, der einen vorgewölbten Rand 16a aufweist und mit der Unterseite der Substratscheibe 4 verbunden ist. Zur Her­ stellung dieser Verbindung kann zweckmäßigerweise eines der erwähnten Niedertemperaturverbindungsverfahren herangezogen werden. Ein metallischer Gehäusedeckel 17, der ebenfalls einen vorgewölbten Rand 17a hat, ist mit der Substratscheibe 5 ver­ bunden, wobei auch hierzu ein Niedertemperaturverbindungsver­ fahren verwendet werden kann. Mit besonderem Vorteil werden alle Verbindungen zwischen den Teilen 1, 4, 5, 16 und 17 in ein und demselben Arbeitsgang hergestellt. Zwischen den einander gegenüberstehenden Rändern 16a und 17a ist ein elektrisch isolierender, hohlzylinderförmiger Gehäusemantel 18, z. B. aus Keramik, angeordnet. Die Höhe des Gehäusemantels wird so groß bemessen, daß die erforderliche Sicherheit gegen Überspannungen an der Anoden-Kathoden-Strecke des Bauelements gewährleistet ist.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in einer siedegekühlten Anlage eingesetzt ist. Diese besteht im wesentlichen aus einem geschlossenen Behälter 19, der teil­ weise mit einem flüssigen, elektrischen isolierenden Medium 20 gefüllt ist. Hierfür eignet sich beispielsweise Freon. Der scheibenförmige Halbleiterkörper 1 bildet mit den Substrat­ scheiben 4 und 5, die mit ihm in der beschriebenen Weise materialschlüssig verbunden sind, eine bauliche Einheit, die im Behälter 19 derart angeordnet ist, daß sie vom Medium 20 umgeben ist. Damit übernimmt das isolierende Medium 20 die Funktion des in Fig. 1 vorhandenen, Kunststoffmantels 13 und ergänzt die Teile 1, 4 und 5 zu einem nach außen abgeschlos­ senen, gegen schädliche Umwelteinflüsse geschützten System. Die elektrische Beschaltung des Leistungshalbleiterbauelements 1, 4, 5 erfolgt über zwei Druckkontaktstücke 21 und 22, die jeweils mit den Substratscheiben 4 und 5 in Kontakt stehen und mit einem hinreichenden Kontaktdruck gegeneinandergepreßt werden, was in Fig. 4 durch eine Druckfeder 23 angedeutet wird. Eine elektrisch isolierende Scheibe 24 verhindert, daß der im allgemeinen metallische Behälter 19 die Druckkontakt­ stücke 21 und 22 kurzschließt. Die Druckkontaktstücke 21 und 22 sind jeweils mit elektrischen Zuleitungen 25 und 26 verbun­ den, die durch die Wandung des Behälters 19 isoliert nach außen geführt sind. Stellen die Teile 1, 4 und 5 wie beschrie­ ben eine Diode dar, so bilden die Anschlüsse 27 und 28 der Zu­ leitungen 25 und 26 jeweils den kathodenseitigen und anoden­ seitigen Diodenanschluß. Das in Fig. 4 angewandte Kühlungs­ prinzip sieht vor, daß die von dem Halbleiterkörper 1 im Be­ trieb desselben an das Medium 20 abgegebene Wärme dazu führt, daß das letztere teilweise verdampft, wobei die im oberen Teil des Behälters 19 vorhandenen gasförmigen Teile des Mediums 20 an der von außen gekühlten Wandung des Behälters 19 konden­ sieren und wieder zum unteren Teil von 19 zurückfließen.

In Fig. 4 können auch mehrere, jeweils aus den Teilen 1, 4, 5 bestehende, bauliche Einheiten gestapelt und zwischen den Kon­ taktstücken 21 und 22 angeordnet werden.

In Fig. 5 ist eine Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 dargestellt, bei der ein Kühlelement 29 mittels eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens materialschlüssig mit der Substratscheibe 4 verbunden ist, wobei diese Verbin­ dung vorzugsweise gleichzeitig mit den übrigen Verbindungen hergestellt wird. Das Kühlelement 29 ist mit etwa parallel zur Halbleiterscheibe 1 verlaufenden Bohrungen 30 versehen, die zur besseren Wärmeableitung in an sich bekannter Weise von einem Kühlmittel durchströmt werden. Eine weitere in Fig. 6 gezeigte Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 besteht darin, daß die mit der Unterseite des Halbleiterkör­ pers 1 verbundene Substratscheibe 4′ selbst als Kühlelement ausgebildet ist. In diesem Fall ist sie zweckmäßig mit Boh­ rungen 31 versehen, durch die ein Kühlmittel gepumpt wird.

In Fig. 7 stellt 1 den Halbleiterkörper eines steuerbaren Leistungshalbleiterbauelements, z. B. eines Thyristors, dar, der eine Steuerelektrode 32 aufweist. Diese ist mit einer Steuerleitung 33 verbunden, deren Anschluß mit 34 bezeichnet ist. Die Teile 32 und 33 sind in einer Ausnehmung 35 der Substratscheibe 5 angeordnet, wobei ein Ansatz 13a des Kunst­ stoffmantels 13 zweckmäßigerweise die Ausnehmung 35 so aus­ füllt, daß er die Steuerleitung 33 gegenüber der Substrat­ scheibe 5 und gegenüber der Hauptfläche 6 des Halbleiterkör­ pers 1 außerhalb der Steuerelektrode 32 elektrisch isoliert. Anstelle der elektrischen Steuerleitung 33 kann bei einem lichtzündbaren Thyristor auch ein Lichtleiter vorgesehen sein, der zu einem anstelle der Steuerelektrode 32 vorgesehenen, lichtempfindlichen Bereich des Halbleiterkörpers 1 hin ver­ läuft.

Fig. 8 zeigt einen Teil eines nach der Erfindung ausgebilde­ ten Thyristors, dessen Halbleiterkörper 1 einen n-Emitter 36, eine p-Basis 37 und eine n-Basis 38 enthält. Der untere Teil von 1, der den p-Emitter enthält, wurde aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung weggelassen. Hier ist eine ver­ fingerte Steuerelektrode 39 vorgesehen, die die p-Basis 37 kontaktiert und mit einem randseitigen, durch eine elektrisch isolierende Schicht 40 vom Halbleiterkörper 1 getrennten Kon­ takt 41 verbunden ist. Dieser ist seinerseits mit einer Steuerleitung 42 verbunden, die durch den Kunststoffmantel 13 nach außen geführt ist. Die zu einer ersten Metallisierung, z. B. aus Aluminium, gehörenden Teile 39 und 41 werden von einer isolierenden Zwischenschicht 43 abgedeckt. Auf der Zwi­ schenschicht 43 ist eine zweite Metallisierung 44, z. B. aus Aluminium, angeordnet, die den n-Emitter 36 jeweils in Kon­ taktlöchern 45 der Zwischenschicht 43 kontaktiert und mit der Substratscheibe 5 verbunden ist. Auch die Verbindung erfolgt durch Anwendung eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens, wie es weiter oben beschrieben wurde. Durch eine solche Zwei­ lagenmetallisierung 39 und 44 in Verbindung mit einem rand­ seitigen Kontakt 41 kann eine elektrische Ansteuerung bestimm­ ter Halbleiterbereiche in der Hauptfläche 6 des Halbleiter­ körpers 1 auch ohne die in Fig. 7 angedeutete Ausnehmung 35 der Substratscheibe 5 erfolgen.

Außer den dargestellten können auch andere scheibenförmige Halbleiterbauelemente, wie z. B. Transistoren oder Vierschicht­ dioden, mit Substratscheiben materialschlüssig verbunden und sodann mit einem Kunststoff- oder Keramikmantel umgeben oder in einer siedegekühlten Anlage angeordnet werden. In allen diesen Fällen führt die materialschlüssige Verbindung der vom Laststrom durchflossenen Flächen der einzelnen Bauelemente­ teile zu einer wesentlichen Verbesserung der thermischen und elektrischen Eigenschaften der Bauelemente.

Claims (9)

1. Leistungshalbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper (1) aus dotiertem Halbleitermaterial, der an seiner ersten Hauptfläche (3) mittels eines Niedertemperatur­ verbindungsverfahrens mit einer ersten Substratscheibe (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) an seiner zweiten Hauptfläche (6) mittels eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens mit einer zweiten Substratscheibe (5) verbunden ist und daß ein die Ränder beider Substratscheiben (4, 5) miteinander verbindender Kunststoffmantel (13) vorgesehen ist, der zusammen mit beiden Substratscheiben (4, 5) ein den Halbleiterkörper (1) nach außen vollständig abschließendes Gehäuse bildet.

2. Leistungshalbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper (1) aus dotiertem Halbleitermaterial, der an seiner ersten Hauptfläche (3) mittels eines Niedertempera­ turverbindungsverfahrens mit einer ersten Substratscheibe (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) an seiner zweiten Hauptfläche (6) mittels eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens mit einer zweiten Substratscheibe (5) verbunden ist, daß die erste und zweite Substratscheibe (4, 5) jeweils mit einem Gehäuseboden (16) und einem Gehäusedeckel (17) verbunden sind, und daß zwischen den einander gegenüberstehenden Rändern (16a, 17a) der beiden letztgenannten Gehäuseteile ein elektrisch isolie­ render Gehäusemantel (18) angeordnet ist.

3. Leistungshalbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper (1) aus dotiertem Halbleitermaterial, der an seiner ersten Hauptfläche (3) mittels eines Niedertempera­ turverbindungsverfahrens mit einer ersten Substratscheibe (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) an seiner zweiten Hauptfläche (6) mittels eines Niedertemperaturverbindungsverfahrens mit einer zweiten Substratscheibe (5) verbunden ist und daß die aus dem Halbleiterkörper (1) und den beiden Substratscheiben (4, 5) bestehende Einheit (1, 4, 5) in einem teilweise mit einem flüssigen, elektrisch isolierenden Medium (20) gefüllten, geschlossenen Behälter (19) einer siedegekühlten Anlage so angeordnet ist, daß sie von diesem Medium (20) umgeben ist.

4. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die von dem flüssigen, elektrisch isolierendem Medium (20) umgebene Einheit eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten jeweils beidseitig mit Substratscheiben (4, 5) verbundenen Halblei­ terkörpern (1) enthält.

5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß an der ersten Substratscheibe (4) ein Kühlelement (29) befestigt ist.

6. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Substratscheibe als Kühlelement (4′) ausgebildet ist.

7. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (29, 4′) mit etwa parallel zur Halbleiter­ scheibe (1) verlaufenden, von einem Kühlmittel durchströmten Bohrungen (30, 31) versehen ist.

8. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) ein steuerbares Bauelement aufweist, dessen Steuerelektrode (32) oder dessen lichtemp­ findlicher Bereich in einer Ausnehmung (35) der zweiten Sub­ stratscheibe (5) angeordnet und mit einer gegen den Halblei­ terkörper (1) und die zweite Substratscheibe (5) isoliert angeordneten Steuerleitung (33) versehen ist.

9. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) ein steuerbares Bauelement auf­ weist, dessen Steuerelektrode (39) über eine erste Metalli­ sierung mit einem am Rand des Halbleiterkörpers (1) ange­ ordneten Kontakt (41) verbunden ist, der mit einer Steuer­ leitung (42) beschaltet ist, und daß eine zweite Metallisie­ rung (44) vorgesehen ist, die einzelne Gebiete (36) des Halbleiterkörpers (1) kontaktiert und mit der zweiten Sub­ stratscheibe (5) mittels eines Niedertemperaturverbindungs­ verfahrens verbunden ist.