DE69016748T2

DE69016748T2 - Hochleistungshalbleiteranordnung mit Gehäuse.

Info

Publication number: DE69016748T2
Application number: DE69016748T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Niwayama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2010-11-07
Also published as: EP0428044A2; EP0428044A3; JPH03149880A; DE69016748D1; EP0428044B1; US5121189A; JPH0760893B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Herstellungsverfahren dafür und insbesondere eine Verbesserung, um eine Verlagerung zwischen einer Elektrodenpufferplatte und anderen Teilen zu verhindern.
Bei einem Flachgehäuse-Halbleiterbauelement, das hauptsächlich für Hochleistungsschaltkreise verwendet wird, sind Elemente wie etwa Elektrodenpufferplatten, ein Elektrodenleiter usw. auf einem Halbleitersubstrat plaziert, und die so erhaltene Konstruktion ist in einem Isolierzylinder eingeschlossen. Die elektrischen Pufferplatten sind vorgesehen, um Beanspruchungen in dem Halbleiterchip aufzunehmen oder auszugleichen, die aufgrund Von unterschiedlichen Warmedehnungszahlen des Halbleiterchips und der Elektrodenleiter entstehen können.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE-A-2 936 780 zeigt ein Halbleiterbauelement, das folgendes aufweist: ein scheibenförmiges Halbleiterelement, das auf seinen beiden Hauptflagchen Schichtelektroden aufweist, eine Trägerscheibe, die mit einer der Hauptflachen verbunden ist, und eine Kontaktscheibe, die mit der Schichtelektrode auf der entgegengesetzten zweiten Hauptfläche in Eingriff ist. Die Anordnung ist in einem zellförmigen Gehäuse, das einen isolierenden Zentrierring hat, eingeschlossen und festgelegt. Ein zusätzliches ringförmiges Element ist vorgesehen, das die Form eines Hohlzylinders mit einem nach radial innen gerichteten Flansch an einem seiner Enden hat. Das ringförmige Element überdeckt das Haltleiterelement von dem Rand seiner Kontaktscheibe bis zu der freien Hauptfläche seiner Trägerscheibe.
Fig. 9A ist eine Seitenansicht, die ein anderes herkömmliches Halbleiterbauelement zeigt, und Fig. 9B ist eine vergrößerte Schnittansicht von Fig. 9A unter Verkürzung von deren Abschnitt Q, um den inneren Aufbau zu zeigen. In Fig. 9B ist das Halbleiterelement 1 ein abschaltbarer Thyristor, bei dem eine Kathodenleiterschicht 4 und eine Gate-Leiterschicht 5 in voneinander getrenntem Zustand auf der unteren Hauptflache eines scheibenförmigen Halbleitersubstrats 3 gebildet sind und das Halbleitersubstrat 3 durch Löten an einer leitfähigen Verstärkungsplatte 2 festgelegt ist, die auch als Anode dient. In den Zeichnungen ist die Dicke dieser leitfähigen Schichten 4 und 5 der größeren Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. An dem umfangsmäßigen Ende des Halbleitersubstrats 3 ist eine isolierende Schutzschicht 6 gebildet.
Dieses Halbleiterelement 1 ist in einen isolierenden Führungsring 9 eingesetzt, und die Position des Elements 1 in der Horizontalrichtung in Fig. 9B ist durch den Führungsring 9 begrenzt. Der Führungsring 9 ist in das Innere des Isolierzylinders 10 eingefügt. Auf der oberen Oberfläche der Verstärkungsplatte 2 sind eine Anodenpufferplatte 7 und der Anodenleiter 8 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die Position der Anodenpufferplatte 7 in der Horizontalrichtung ist durch den Vorsprung 9a des Führungsrings 9 begrenzt. An dem Anodenleiter 8 ist ein Anodenflansch 11 festgelegt. Der andere Flansch 12, der an dem Endteil des Isolierzylinders 10 festgelegt ist, und der Anodenflansch 11 sind an dem Rand 13 durch Lichtbogenschweißen befestigt.
Unter dem Halbleiterelement 1 befindet sich eine Kathoden/Gate-Anordnung CG, deren äußere Gestalt in Strichlinien angedeutet ist. Diese Kathoden/Gate-Anordnung CG weist eine Kathodenpufferplatte und einen Kathodenleiter auf und hat Teile, die einen elektrischen Kanal von der leitfähigen Gate-Schicht 5 zu einem Gate-Anschluß 30 bilden. Außerdem ist die Kathoden/Gate-Anordnung CG über einen Kathodenflansch 14 mit dem Isolierzylinder 10 verbunden. Wenn dem Gate-Anschluß 30 ein Steuersignal zugeführt wird, wird der elektrische Kanal zwischen der Bodenfläche der Kathoden/Gate-Anordnung CG und dem Anodenleiter 8 durch die Schalttätigkeit des Halbleitersubstrats 2 geöffnet oder geschlossen.
Das Halbleiterbauelement von Fig 9B ist unter der Annahme zusammengebaut, daß es unter der Bedingung benutzt wird, daß ein durch einen Pfeil F-F repräsentierter bestimmter Druck auf den Anodenleiter 8 und die Kathoden/Gate-Anordnung CG aufgebracht wird. Anders ausgedrückt, werden durch einen solchen Druck gleichmäßige elektrische Kontaktzustände zwischen den jeweiligen Teilen beibehalten, und dadurch wird der Normalbetrieb des Halbleiterbauelements erreicht.
Vor dem Einbau dieses Halbleiterbauelements in ein elektrisches Gerät wird jedoch kein solcher Druck aufgebracht. Beim Transport eines solchen Halbleiterbauelements vor seinem Einbau in ein elektrisches Gerät kann es daher geschehen, daß sich der Anodenleiter 8 durch Vibrationen beim Transport und dergleichen nach oben verschiebt, weil der Anodenflansch 11 aus einem Weichmetall wie etwa Kupfer besteht und häufig durch Vibrationen und dergleichen verformt wird.
Wenn dieses Verschieben auftritt, entsteht zwischen dem Anodenleiter 8 und der Verstärkungsplatte 2 ein Zwischenraum, und die Anodenpufferplatte 7 wird verlagert und geht über den Vorsprung 9a des Führungsrings 9, wie der Pfeil K zeigt. Wenn eine solche Verlagerung auftritt, ist es nicht mehr möglich, einen gleichmäßigen Kontakt zwischen den jeweiligen Elementen zu unterhalten. Infolgedessen wird die Stromverteilung in dem Halbleitersubstrat 3 beim Gebrauch ungleichmäßig, was zu anomaler Erzeugung von Wärme oder zum Ausfall des Substrats 3 führt.
Um ein derartiges Problem zu vermeiden, kann als Verbesserung die Höhe H des Vorsprungs 9a größer gemacht werden. Da aber der Zwischenraum zwischen dem Führungsring 9 und dem Anodenflansch 11 in der Vertikalrichtung relativ schmal ist, ist es schwierig, die Höhe H des Vorsprungs 9a ausreichend hoch zu machen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement und ein Herstellungsverfahren dafür anzugeben, wobei eine Elektrodenpufferplatte über einem Führungsring kaum verlagert wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Hochleistungs-Halbleiterbauelement angegeben, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Ausführungsformen des Bauelements sind in den Ansprüchen 2-11 angegeben.
Bevorzugt hat die Elektrodenpufferplatte eine Vielzahl von Armen, die jeweils die Gestalt eines Hakens haben.
Die Erfindung richtet sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß der Definition in Anspruch 12, wobei ein Halbleiterelement zwischen einen ersten und einen zweiten Elektrodenleiter eingesetzt ist und das Halbleiterelement ein Halbleitersubstrat aufweist, das eine obere und eine untere Hauptfläche hat, auf der erste und zweite Elektroden vorgesehen sind.
Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 13-16 angegeben.
Da gemäß der Erfindung der Arm der Elektrodenpufferplatte bis in die Nachbarschaft der Innenwandfläche des Isolierzylinders verläuft, ist die Position dieser Elektrodenpufferplatte durch die Innenwandfläche des Isolierzylinders im wesentlichen begrenzt. Daher wird die Elektrodenpufferplatte in der Radialrichtung des Führungsrings nicht stark verlagert.
Die genannten und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1A ist eine Seitenansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1B ist ein vergrößerter Vertikalschnitt des Halbleiterbauelements, wobei ein dem Abschnitt P in Fig. 1A entsprechender Teil weggelassen ist;
Fig. 2 ist eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht des Halbleiterbauelements;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Teildarstellung, die den genauen Aufbau einer Anodenpufferplatte und eines Führungsrings zeigt;
Fig. 4 zeigt einen Arm der Anodenpufferplatte, der in einer Kerbe des Führungsrings aufgenommen ist;
Fig. 5 und 6 zeigen andere Formen des Arms;
Fig. 7, 8A, 8B zeigen weitere Beispiele der Anodenpufferplatte;
Fig. 9A ist eine Seitenansicht eines herkömmlichen Halbleiterbauelements; und
Fig. 9B ist ein vergrößerter Vertikalschnitt des herkömmlichen Halbleiterbauelements, wobei der Abschnitt Q von Fig. 9A weggelassen ist.

A. Gesamtaufbau

Fig. 1A ist eine Seitenansicht eines Halbleiterbauelements 100 vom Flachgehäusetyp gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 1B zeigt einen vergrößerten Schnitt, der unter Weglassung des Abschnitts P von Fig. 1A gezeichnet ist. Dieses Halbleiterbauelement 100 hat ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 3, das dem Körper eines abschaltbaren Thyristors entspricht. In dem Halbleitersubstrat 3 gibt es eine Vielzahl von aktiven Bereichen, die durch Dotieren mit Verunreinigungen gebildet sind.
Eine scheibenförmige Verstärkungsplatte 2 aus einem elektrischen Leitermaterial ist auf eine erste Hauptfläche des Halbleitersubstrats (Siliciumsubstrats) 3 gelötet. Die Verstärkungsplatte 2 dient als eine Anodenplatte. Andererseits sind auf einer zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats 3 eine leitfähige Kathodenschicht 4 und eine leitfähige Gate- Schicht 5, die beide aus Aluminium bestehen, in bezug aufeinander getrennt gebildet. Der Umfangsrandbereich des Halbleitersubstrats 3 ist mit einer isolierenden Schutzschicht 6 abgedeckt. Diese Elemente 2-6 bilden ein Halbleiterelement 1.
Das Halbleiterelement ist in die Innenwandfläche 81 eines isolierenden Führungsrings 70 eingesetzt, dessen Innendurchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Verstarkungsplatte 2 ist. Somit ist die Lage des Halbleiterelements 1 in der Horizontalrichtung durch den Führungsring 70 begrenzt. Einzelheiten der Gestalt des Führungsrings 70 werden später beschrieben. Der Führungsring 70 ist in die Innenwandfläche 10a eines Isolierzylinders 10 aus Aluminiumoxid- Keramik eingesetzt.
Andererseits sind an der unteren Oberfläche der leitfähigen Kathodenschicht 4 eine erste Kathodenpufferplatte 20 und eine zweite Kathodenpufferplatte 21 angeordnet, die jeweils Scheibenform haben. Diese Pufferplatten 20 und 21 sind vorgesehen, um thermische Beanspruchungen auszugleichen, die durch die unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen des Substrats 3 und eines Kathodenleiters 22 bewirkt werden, wenn ein Strom durch das Halbleitersubstrat 3 fließt. Aus diesem Grund ist die Kathodenpufferplatte 20 aus einem Werkstoff, beispiels Molybdän, hergestellt, dessen Wärmedehnungszahl nahe bei derjenigen des Halbleitersubstrats 3 liegt. Die andere Kathodenpufferplatte 21 besteht beispielsweise aus Kupfer.
Der Kathodenleiter 22 besteht aus Kupfer und hat einen zentralen Bereich 22a, der als dicke Scheibe geformt ist, und einen unteren Bereich 22b, der als breite Scheibe geformt ist. Der zentrale Scheibenbereich 22a ist mit der zweiten Kathodenpufferplatte 21 in direktem Kontakt. Daher ist der Kathodenleiter 22 mit der leitfähigen Kathodenschicht 4 in dem Halbleiterelement 1 durch die Kathodenpufferplatten 20 und 21 in elektrischem Kontakt. Ein Kathodenflansch 14 aus einer Eisen-Nickel-Legierung ist an dem Außenumfang des unteren Scheibenbereichs 22b festgelegt. Der Kathodenflansch 14 ist außerdem an dem unteren Endteil eines Isolierzylinders 10 festgelegt, wodurch der Kathodenleiter 22 mit dem Isolierzylinder 10 verbunden ist. Die Bodenfläche 84 des Führungsrings 20 ist mit dem Kathodenflansch 14 in direktem Kontakt.
An dem unteren Scheibenbereich 22b des Kathodenleiters 22 ist ein Paar von Kegelfedern 41 und 43 abwechselnd mit einem Paar von flachen Scheiben 42 und 44 vorgesehen, um den zentralen Scheibenbereich 22a zu umgeben. Eine flache Scheibe 34 und ein Isolierring 33 sind auf der Kegelfeder 43 vorgesehen. Ein Gate-Ring 32 aus einem elektrisch leitfähigen Material ist auf dem Isolierring 33 vorgesehen. Bevorzugt besteht der Gate-Ring 32 aus einem leitfähigen Material mit einer Wärmedehnungszahl nahe derjenigen des Halbleitersubstrats 3.
Der Gate-Ring 32 ist außen an den Kathodenpufferplatten 20 und 21 und dem Kathodenleiter 22 über das Isolierelement 31 angesetzt, das um die Teile 20 und 21 und den oberen Bereich des Kathodenleiters 22 herum vorgesehen ist. Die Oberseite des Gate-Rings 32 ist in direktem Kontakt mit der leitfähigen Gate-Schicht 5. Der Gate-Ring 32 wird von den Kegelfedern 41 und 43 gegen die leitfähige Gate-Schicht 5 gedrückt, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Gate-Ring 32 und der leitfähigen Gate-Schicht 5 herzustellen.
Eine Gate-Zuleitung 35, die zur Außenseite des Isolierzylinders 10 vorsteht, ist mit dem Gate-Ring 32 verbunden. Diese Zuleitung 35 ist in eine rohrförmige Isolierhülse 36 eingesetzt und durchsetzt einen ausgesparten Raum 74 des Führungsrings 70. Der Endteil der Gate-Zuleitung 35 ist mit dem Endteil eines Metallrohrs 37 durch Lichtbogenschweißen vereinigt, wodurch ein Gate-Anschluß 30 gebildet ist. Der elektrische Gate-Kanal und der elektrische Kanal auf der Kathodenseite sind durch die Isolierelemente 31 und 32 elektrisch voneinander getrennt.
Eine Anodenpufferplatte 50, die beispielsweise aus Kupfer besteht, ist auf der Verstärkungsplatte 2 angeordnet. Diese Anodenpufferplatte 50 dämpft oder kompensiert thermische Beanspruchungen in dem Halbleitersubstrat 3 auf der Anodenseiten Wie noch im einzelnen beschrieben wird, bat die Anodenpufferplatte 50 einen scheibenförmigen zentralen Bereich 51 und vier hakenförmige Arme 61-64, die von dem zentralen Bereich 51 in Radialrichtung ausgehen (siehe Fig. 2, die noch beschrieben wird). In Fig. 1B sind nur die beiden Arme 61 und 63 dieser Arme gezeigt. Die Grenzlinien zwischen dem zentralen Bereich 51 und den Armen 61-64 sind durch die Linien B in Fig. 1B bezeichnet.
In Fig. 1B hat der Arm 61 einen ersten Bereich 61a, der von dem zentralen Bereich 51 horizontal ausgeht, und einen zweiten Bereich 61b, der sich nach unten erstreckt, indem er an dem Ende des ersten Bereichs 6la umgebogen ist. Der erste Bereich 61a ist mit der Oberfläche 83, die ein Bereich der oberen Oberfläche des Führungsrings 70 ist, in direktem Kontakt. Der zweite Bereich 61b ist extrem nahe der inneren Wandfläche 10a des Isolierzylinders 10 positioniert und in einen Spalt 73 zwischen dem Isolierzylinder 10 und dem Führungsring 70 eingesetzt. Die anderen Arme 62-64 sind gleich wie der Arm 61 ausgebildet. Die positionsmäßige Beziehung zwischen der Anodenpufferplatte 50 und den sie umgebenden Elementen wird später beschrieben.
Ein Anodenleiter 8 aus Kupfer ist auf der Anodenpufferplatte 50 vorgesehen. Die Gestalt des Anodenleiters 8 ist eine Scheibe mit einer Stufe. Ein Anodenflansch 11 mit einem Kupferteil 11a und einem Eisen-Nickel-Legierungsteil 11b ist an der Stufe des Anodenleiters 8 befestigt. Ein anderer Flansch 12, der an der oberen Oberfläche des Isolierzylinders 10 befestigt ist, und der Anodenflansch 11 sind an ihren jeweiligen Rändern 13 lichtbogenverschweißt, wodurch der Anodenleiter 8 und der Isolierzylinder 10 miteinander verbunden sind.
Das Halbleiterbauelement 100 von Fig. 1B wird durch Anlegen einer Spannung von außen zwischen den Kathodenleiter 22 und den Anodenleiter 8 und Zuführen eines Steuersignals von der Gate-Elektrode 30 ein- oder ausgeschaltet.

B. Einzelheiten von Anodenpufferplatte 50 und Führungsring 70

Fig. 2 ist eine Perspektivansicht des Halbleiterbauelements 100, wobei Teile auseinandergezogen sind, und Fig. 3 ist eine vergrößerte Teildarstellung der Anodenpufferplatte 50 und des Führungsrings 70, wobei Teile weggelassen sind.
In Fig. 2 sind die vier Arme 61-64 mit dem zentralen Bereich 51 vereinigt und sind in gleichen Abständen entlang dem Umfang des zentralen Bereichs 51 angeordnet. Der Vorsprung oder Kranz 71 des Führungsrings 70 ist ein kreisrunder Ring, der den ooberen Raum der Verstärkungsplatte 2 umgibt, und vier Einschnitte oder Nuten 91-94, die in der Radialrichtung verlaufen, sind in dem oberen Bereich des Führungsrings 70 geformt. Die jeweiligen Breiten der Einschnitte 91-94 sind im wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Breiten der Arme 61-64. In Übereinstimmung mit der Anordnung der Arme 61-64 sind die Einschnitte 91-94 ebenfalls in gleichen Abständen entlang dem oberen Umfang des Führungsrings 70 angeordnet. Wenn daher die Anodenpufferplatte 50 auf die obere Oberfläche der Verstärkungsplatte 2 gelegt wird, die in der Konstruktion 200 enthalten ist, wie die gestrichelten Pfeile zeigen, können die Einschnitte 91-94 die jeweiligen Arme 61-64 aufnehmen.
In Fig. 3 ist die Kerbe oder der Einschnitt 91 durch eine Kombination eines horizontalen Kanals 95, der über die obere Oberfläche des Führungsrings 70 verlaufend geformt ist, und eine Ausnehmung 96, die zu einer äußeren Wandfläche 82 des Führungsrings 70 ausgehend von dem horizontalen Kanal 95 abgebogen ist, gebildet. Der horizontale Kanal 95 ist an den ersten Bereich 61a des Arms 61 angepaßt, und die Ausnehmung 96 ist an den zweiten Bereich 61b angepaßt. Wenn der Führungsring 70 in das Innere des Isolierzylinders 10 von Fig. 1B eingesetzt ist, wird die Ausnehmung 96 zu dem Spalt 73.
Fig. 4 zeigt den Zustand, in dem der Arm 61 in dem Einschnitt 91 aufgenommen ist. Die Grenze B zwischen dem zentralen Bereich 51 und dem Arm 61 in der Anodenpufferplatte 50 ist von der inneren Wandfläche 81 des Führungsrings 70 um einen kleinen Abstand L1 entfernt. Durch Vorsehen eines solchen Abstands L1 wird es leicht, die Anodenpufferplatte 50 in einen Raum über der Verstärkungsplatte 2, die von dem Führungsring 70 umgeben ist, einzuführen. Dieser Abstand L1 wirkt außerdem als Spielraum, wenn sich der zentrale Bereich 51 durch Wärme ausdehnt. Der zweite Bereich 6lb des Arms 61 ist von der inneren Wandfläche 10a des Isolierzylinders 10 um einen kleinen Abstand L2 getrennt. Durch das Vorhandensein dieses Abstands L2 wird das Einführen des zweiten Bereichs 61b in den Spalt 73 erleichtert, und der Spielraum der Anodenpufferplatte 50 zur Wärmedehnung ist ebenfalls gesichert. Die Breite des Spalts 73 ist geringfügig größer als die Dicke des zweiten Bereichs 61b gemacht, um den Abstand L2 vorzusehen.
Die Fig. 3 und 4 sind zwar gezeichnet, um den Arm 61 und den Einschnitt 91 zu zeigen, aber in bezug auf die anderen Arme 62-64 und Einschnitte 92-94 ist der Aufbau der gleiche.
Es soll ein Zustand angenommen werden, in dem das Bauelement 100 beim Transport Vibrationen ausgesetzt ist und der Anodenleiter 8 in Fig. 1B nach oben gleitet. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Druck zum Abwärtsdrücken der Anodenpufferplatte 50 verringert. Weil aber der Arm 61 in eine Position im Bereich der inneren Wandfläche 10a des Isolierzylinders 10 verlängert ist, beträgt die Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 in der Horizontalrichtung nicht mehr als der Abstand L1 in Fig. 4. Daher wird eine Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 in der Horizontalrichtung im wesentlichen verhindert, und Bewegungen der Anodenpufferplatte 50 aufgrund der Vibrationen sind nur solche in der Vertikalrichtung. Diese Bewegungen in der Vertikalrichtung führen zu keinen ernsthaften Problemen in bezug auf die Anodenpufferplatte 50, weil die Anodenpufferplatte 50 nach dem Aufhören der Vibrationen in die Ausgangsposition zurückkehrt. Da also eine Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 in der Horizontalrichtung verhindert wird, wird keine irreversible Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 verursacht.
Wenn wie bei der bevorzugten Ausführungsform die Arme 61-64 hakenförmig sind und ihre vorderen Endbereiche in den Spalt 73 eingesetzt sind, wird die Wirkung in bezug auf das Verhindern einer Verlagerung weiter verstärkt. Das heißt also, selbst wenn die Anodenpufferplatte 50 Vibrationen ausgesetzt ist, kann die Anodenpufferplatte 50 keine Schräglage einnehmen, weil die vorderen Endbereiche der Arme 61-64 in den entsprechenden Spalten 73 immer nach vertikal unten gehalten werden. Infolgedessen wird eine irreversible Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 noch wirksamer verhindert.
Da ferner die Arme 61-64 in den Einschnitten 91-94 aufgenommen sind, wird auch ein Verdrehen der Anodenpufferplatte 50 in der Horizontalebene verhindert. Somit wird eine irreversible Verlagerung infolge einer Kombination von Rotation und linearer Verschiebung der Anodenpufferplatte 50 ebenfalls verhindert. Die Einschnitte 91-94 sind auch bei der Herstellung des Halbleiterbauelements 100 nützlich. Denn durch das Vorsehen der Kegelfedern 41 und 43 von Fig. 1B werden das Halbleiterelement 1 und die Anodenpufferplatte 50 durch den Gate-Ring 32 mit aufwärts wirkenden Federkräften beauf schlagt, bevor der Anodenleiter 8 darauf angebracht wird, und diese Elemente 1 und 50 befinden sich in etwas weiter oben liegenden Positionen als den in Fig. 1B gezeigten. Dann wird der Anodenleiter 8 auf diesen Elementen 1 und 50 angeordnet, und unter Aufbringen einer abwärts gerichteten Kraft auf diese Elemente wird der Anodenflansch 11 mit dem Flansch 112 verschweißt. Zu diesem Zeitpunkt können die Elemente 1 und 50 entgegen den Kräften der Kegelfedern 41 und 43 geringfügig absinken, weil die Spielräume zum Einsinken der Arme 61-64 von den Einschnitten 91-94 gebildet sind.
Zur Anpassung der Anodenpufferplatte 50 an die obere Oberfläche des Führungsrings 70, ohne daß die Einschnitte 91-94 vorgesehen werden, kann die gesamte obere Oberfläche des Führungsrings 70 auf das Niveau der unteren Oberfläche des Kanals 95 abgeflacht werden. Wenn jedoch die obere Oberfläche des Führungsrings 70 vollständig abgeflacht wird, um den Vorsprung 71 zu entfernen, geht die Begrenzung der Verlagerung der Pufferplatte 50 durch den Vorsprung 71 verloren. Es wird daher bevorzugt, daß die Einschnitte 91-94 gebildet werden und der Vorsprung 71 bleibt, und daß die Arme 61-64 in den Einschnitten 91-94 aufgenommen werden und gleichzeitig eine Verlagerung der Anodenpufferplatte 50 sowohl durch die Arme 61-64 als auch den Vorsprung 71 verhindert wird.

c. Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelement 100

Das Halbleiterbauelement 100, das den oben beschriebenen Aufbau hat, kann nach der folgenden Sequenz zusammengebaut werden:
Zuerst werden die jeweiligen Teile des Halbleiterbauelements 100 einzeln gefertigt. Der Durchmesser des zentralen Bereichs 51 der Anodenpufferplatte 50 wird um L1 kleiner als der Innendurchmesser des Führungsrings 70 gemacht. Die Länge des ersten Bereichs 61a der jeweiligen Arme 61-64 wird um L2 größer als der horizontale Abstand von der inneren Wandfläche 81 des Führungsrings 70 bis zu dem Spalt 73 in Fig. 4 vorgegeben. Da die beiden Abstände L1 und L2 sehr klein sind, ist der Durchmesser des zentralen Bereichs 51 ungefähr gleich dem Innendurchmesser des Führungsrings 70, und die Länge des ersten Bereichs 6la ist ungefähr gleich der Dicke des Führungsrings 70.
Der zentrale Bereich 51 und die Arme 61-64 werden in einem Stück beispielsweise durch Stanzen eines Kupferblechs geformt, und die Anodenpufferplatte 50 wird durch Biegen der jeweiligen zweiten Bereiche 61b der Arme 61-64 erhalten. Der Führungsring 70 wird mit einem Vorsprung 71 und den Einschnitten 91-94 versehen.
Die so gefertigten Teile, die das Halbleiterelement 1, die Anodenpufferplatte 50, den Anodenleiter 8 und den Anodenflansch 11 ausschließen, werden entsprechend Fig. 1B zusammengebaut. In die so erhaltene Struktur werden der Anodenleiter 22 und die ihn umgebenden Teile in die untere offene Seite des Isolierzylinders 10 eingesetzt, und der Kathodenleiter 22 und der Isolierzylinder 10 werden durch den Kathodenflansch 14 miteinander verbunden. Außerdem werden die Kathodenpufferplatten 20 und 21 auf dem Kathodenleiter 22 vorgesehen. Ferner wird der Führungsring 70 intern ungefähr an dem zentralen Bereich des Innenraums des Isolierzylinders 10 angebracht.
Dann wird das Halbleiterelement 1 mit der nach unten gerichteten leitfähigen Kathodenschicht 4 von der offenen Oberseite des Isolierzylinders 10 in dessen Innenraum eingesetzt. Das Halbleiterelement 1 wird innen an dem Führungsring 70 angebracht. Die Konstruktion 200 in Fig. 2 zeigt den Zustand, in dem diese Phase abgeschlossen ist.
Ferner wird die Anodenpufferplatte 50 durch die obere Öffnung des Isolierzylinders 10 in dessen Innenraum eingeführt. Der zentrale Bereich 51 der Anodenpufferplatte 50 wird auf der Verstärkungsplatte 2 plaziert, und die Arme 61-64 werden auf den Einschnitten 91-94 angeordnet.
Dann wird der Anodenleiter 8, an dem vorher der Anodenflansch 11 befestigt wurde, durch die obere Öffnung des Isolierzylinders 10 auf der Anodenpufferplatte 50 angeordnet. Abwärtsdruck wird auf den Anodenleiter 8 aufgebracht, so daß die Anodenpufferplatte 50 und das Halbleiterelement 1 entgegengen den Kräften der Kegelfedern 41 und 43 geringfügig absinken und die Arme 61-64 mit den Bodenbereichen der jeweiligen Kanäle 95 der Einschnitte 91-94 in Kontakt gelangen.
In diesem Zustand wird der Endteil 13 des Anodenflanschs 11 mit dem Endteil des Flanschs 12, der vorher an der oberen Oberfläche des Isolierzylinders 10 befestigt wurde, lichtbogenverschweißt, wodurch der Anodenleiter 8 und der Isolierzylinder 10 durch die Flansche 11 und 12 miteinander verbunden werden.
Durch die oben aufgeführten Schritte wird das in Fig. 1B gezeigte Halbleiterbauelement 100 erhalten.

D. Weitere Ausführungsformen

Fig. 5 zeigt eine Anodenpufferplatte gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Anodenpufferplatte 50a hat eine Vielzahl von Armen 65, von denen in Fig. 5 nur einer gezeigt ist. Jeder Arm 65 hat nur einen horizontalen Bereich 61a, und entsprechende Einschnitte eines Gate-Rings 70a haben nur die horizontalen Kanäle 95.
Fig. 6 zeigt eine andere Anodenpufferplatte 50b. Jeweilige Arme 66 der Anodenpufferplatte 50b haben Brückenbereiche 61c und horizontale Bereiche 61d. Der Brückenbereich 61c sitzt über einem Vorsprung 71 eines Gate-Rings 70b. Diese Arme 66 werden gemeinsam mit dem einen Einschnitt aufweisenden Gate-Ring 70b verwendet. In jeder der Fig. 4 und 5 verlaufen die Enden der horizontalen Bereiche 61a und 61d zu einer Stelle sehr nahe der inneren Wandfläche 10a des Isolierzyliners 10, der in Fig. 1B gezeigt ist.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine Anodenpufferplatte 110, die drei Arme 112-114 hat. Die Arme 112-114 sind in gleichen Abständen an dem Umfang eines kreisrunden zentralen Bereichs 111 angeordnet Jeder Arm 112-114 kann gleich wie der Arm 61 von Fig. 3 sein, oder er kann gleich wie der Arm 65 oder der Arm 66 gemäß den Fig. 5 oder 6 sein. Wenn drei oder mehr Arme um den zentralen Bereich herum vorgesehen sind, wird im allgemeinen immer eine zweidimensionale Festlegung der Anodenpufferplatte erreicht.
Eine Anodenpufferplatte 120 von Fig. 8A hat zwei Arme 122 und 123, die über den Durchmesser eines zentralen Bereichs 121 miteinander ausgefluchtet sind. Wenn die Richtung einer gegenseitigen Verbindung der Arme 122 und 123 mit X bezeichnet wird, wird eine Verlagerung der Anodenpufferplatte 120 in Richtung X durch die Arme 122 und 123 verhindert. Wenn die jeweiligen Breiten W der Arme 122 und 123 relativ groß gemacht werden, bewirkt eine nur geringe Verlagerung der Anodenpufferplatte 120 in Richtung Y, daß die Enden der Arme 122 und 123 in direkten Kontakt mit der inneren Wandfläche 10a des Isolierzylinders 10 gelangen, wie ein gestrichelter Pfeil 130 in Fig. 8B zeigt. Wenn daher die Breite W so definiert ist, daß die Enden der Arme 122 und 123 durch eine Verlagerung, die geringer als eine vorbestimmte, maximal zulässige Verlagerung in Richtung Y ist, in direkten Kontakt mit der inneren Wandfläche 10a gelangen, kann eine stärkere Verlagerung der Anodenpufferplatte 120 in Richtung Y verhindert werden.
Wenn ferner ein hakenförmiger Arm wie der Arm 61 von Fig. 3 vorgesehen ist, wird selbst dann die zweidimensionale Festlegung der Anodenpufferplatte erreicht, wenn nur ein einziger Arm vorgesehen ist. Daher ist die Anzahl von Armen an einer Anodenpufferplatte nicht begrenzt, und es kann eine Anodenpufferplatte mit einer willkürlichen Zahl von Armen verwendet werden.
Die Halbleiterbauelemente, bei denen die Erfindung anwendbar ist, sind nicht auf den abschaltbaren Thyristor beschränkt. Die Erfindung ist beispielsweise bei anderen Thyristoren und bei Transistoren und auch bei Elementen, die keine Steuerelektrode haben, wie etwa bei Dioden anwendbar. In bezug auf die Elemente, bei denen die obere Seite von Fig. 1B eine Kathode ist, ist die Erfindung bei der Kathodenpufferplatte anwendbar.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß eine Elektrodenpufferplatte mit wenigstens einem Arm angegeben wird, so daß eine Verlagerung der Elektrodenpufferplatte über den Führungsring hinaus wirkungsvoll verhindert werden kann.
Außerdem kann eine Verlagerung der Elektrodenpufferplatte wirkungsvoll verhindert werden, indem der Endbereich der Arme in den Spalt zwischen dem Führungsring und einem Isolierzylinder eingesetzt wird.
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung kann ein Halbleiterbauelement mit den vorstehend angegebenen Vorteilen ohne komplizierte Verfahrensschritte erhalten werden.
Die Erfindung wurde zwar anhand von Ausführungsformen beschrieben, es versteht sich jedoch, daß diese nur beispielhaft sind und der Erläuterung dienen und nicht als Einschränkung angesehen werden sollen. Der Umfang der Erfindung ist nur durch die anhängenden Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Hochleistungs-Halbleiterbauelement, das aufweist:

(a) ein Halbleiterelement mit:

(a-1) einem Halbleitersubstrat (3) mit einer oberen und einer unteren Hauptfläche;

(a-2) einer ersten Elektrode (2), die auf der oberen Hauptfläche vorgesehen ist, wobei die erste Elektrode in Form einer scheibenförmigen Verstärkungsplatte ist; und

(a-3) einer zweiten Elektrode (4), die auf der unteren Hauptfläche vorgesehen ist;

(b) einer Elektrodenpufferplatte (50, 110, 120), die auf der ersten Elektrode (2) vorgesehen und damit in Kontakt ist;

(c) einem ersten Elektrodenleiter (8), der auf der Elektrodenpufferplatte (50, 110, 120) vorgesehen und damit in Kontakt ist;

(d) einem zweiten Elektrodenleiter (22), der auf der zweiten Elektrode (4) vorgesehen und elektrisch damit verbunden ist;

(e) einem isolierenden Führungsring (70), in den das Halbleiterelement eingesetzt ist und der eine Position des Halbleiterelements begrenzt, wobei der isolierende Führungsring (70) einen Innendurchmesser hat, der dem Durchmesser der ersten Elektrode (2) im wesentlichen gleich ist; und

(f) einen Isolierzylinder (10), in den der Führungsring (70) eingesetzt ist und der mit dem ersten und dem zweiten Elektrodenleiter (8, 22) verbunden ist;

wobei die Elektrodenpufferplatte (50, 110, 120) aufweist:

(b-1) einen zentralen Bereich (51, 111, 121) mit einem Durchmesser, der an einen Innendurchmesser des Führungsrings (70) angepaßt ist; und

(b-2) mindestens einen Arm (61-66, 112-114, 122, 123), der sich von dem zentralen Bereich (51, 111, 121) in eine Nähe einer innenwandfläche (10a) des Isolierzylinders (10) erstreckt, wobei der Arm auf der oberen Oberfläche (83) des isolierenden Führungsrings (70) ruht.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei

die obere Endfläche (83) des Führungsrings (70) folgendes hat:

einen flachen Bereich, der eine obere Öffnung des Führungsrings umgibt; und

einen konvexen Bereich, der von dem flachen Bereich vorspringt und die obere Öffnung des Führungsrings umgibt, wobei der flache Bereich an einer Außenflächenseite des Führungsrings und der konvexe Bereich an einer Innenflächenseite des Führungsrings positioniert ist; und der Arm den konvexen und den flachen Bereich kreuzt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei die obere Endfläche des Führungsrings ferner folgendes hat:

eine Kerbe, die über den konvexen Bereich gebildet ist; und

der Arc folgendes hat:

einen ersten Bereich, der sich von dem zentralen Bereich erstreckt und in der Kerbe aufgenommen ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei die obere Endfläche des Führungsrings ferner folgendes hat:

einen Kanal, der über den flachen Bereich gebildet und mit der Kerbe ausgefluchtet ist; und

der erste Bereich des Arms ebenfalls in dem Kanal aufgenommen ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, wobei ein Spalt an einem Teil einer Grenzfläche zwischen dem Führungsring und dem Isolierzylinder vorgesehen ist, wobei der genannte Teil der Grenzfläche mit dem Kanal in Verbindung steht; und

der Arm ferner folgendes hat:

einen zweiten Bereich, der sich von dem ersten Bereich erstreckt und in den Spalt eingesetzt ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, wobei die Außenfläche des Führungsrings folgendes hat:

eine mit dem Kanal verbundene Ausnehmung, die als der Spalt dient.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei der Arm an einer Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich hakenförmig ausgebildet ist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei der Arm folgendes hat:

einen Brückenbereich, der sich von dem zentralen Bereich erstreckt und den konvexen Bereich überspannt.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei der Arm ferner folgendes hat:

einen geraden Bereich, der sich von dem Brückenbereich erstreckt und auf dem flachen Bereich der oberen Endfläche angeordnet ist.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenpufferplatte eine Vielzahl von Armen hat, deren Form jeweils dem genannten Arm entspricht.

11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Armen entlang einem Umfang des zentralen Bereichs in gleichen Abständen angeordnet ist.

12. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, wobei ein Halbleiterelement zwischen einen ersten und einen zweiten Elektrodenleiter (8, 22) eingesetzt ist und das Halbleiterelement ein Halbleitersubstrat (3) mit einer oberen und einer unteren Hauptfläche aufweist, auf denen eine erste und eine zweite Elektrode (2, 4) vorgesehen sind, wobei die erste Elektrode (2) in Form einer scheibenförmigen Verstärkungsplatte ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen eines Isolierzylinders (10) mit einer oberen und einer unteren Öffnung;

(b) Bereitstellen einer Konstruktion, bei der der zweite Elektrodenleiter (22) in die untere Öffnung eingesetzt wird, der Isolierzylinder (10) mit dem zweiten Elektrodenleiter (22) verbunden wird und ein isolierender Führungsring (70) in einen Mittelbereich eines Raums eingesetzt wird, der von dem Isolierzylinder (10) umgeben ist;

(c) Einführen des Halbleiterelements von der oberen Öffnung in den Raum, wobei die zweite Elektrode (4) dem zweiten Elektrodenleiter (22) zugewandt ist, um dadurch das Halbleiterelement in den isolierenden Führungsring (70) einzusetzen; wobei der isolierende Fuhrungsring (70) einen Außendurchmesser, der dem Innendurchmesser des Isolierzylinders (10) im wesentlichen gleich ist, und einen Innendurchmesser hat, der dem Durchmesser der ersten Elektrode (2) im wesentlichen gleich ist;

(d) Einführen einer Elektrodenpufferplatte (50) von der oberen Öffnung in den Raum und Anordnen der Elektrodenpufferplatte (50) auf dem Halbleiterelement, wobei die Elektrodenpufferplatte (50) aufweist: einen zentralen Bereich (51, 111, 121) mit einem Durchmesser, der einem Innendurchmesser des Führungsrings (70) entspricht; und mindestens einen Arm (61-66, 112-114, 122, 123), der sich von dem zentralen Bereich erstreckt;

(e) Anordnen des ersten Elektrodenleiters (8) auf der Elektrodenpufferplatte (50) durch die obere Öffnung hindurch; und

(f) Verbinden des ersten Elektrodenleiters (8) mit dem Isolierzylinder (10);

wobei eine Größe des Arms derart festgelegt ist, daß der Arm eine Nähe einer Innenfläche (10a) des Isolierzylinders (10) erreicht, wenn die Elektrodenpufferplatte (50) in Schritt (d) auf dem Halbleiterelement angeordnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Führungsring eine obere Endfläche hat, die einen flachen Bereich, der eine obere Öffnung des Führungsrings umgibt, und einen konvexen Bereich hat, der von dem flachen Bereich vorspringt und die obere Öffnung des Führungsrings umgibt, wobei der flache Bereich an einer Außenflächenseite des Führungsrings und der konvexe Bereich an einer Innenflächenseite des Führungsrings positioniert ist; und

der Schritt (d) den folgenden Schritt aufweist:

(d-1) Positionieren des Arms über den flachen Bereich und den konvexen Bereich.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei

eine Kerbe über den konvexen Bereich gebildet ist; und der Schritt (d-1) den folgenden Schritt aufweist:

Einsetzen des Arms in die Kerbe.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei

ein Kanal, der mit der Kerbe ausgefluchtet ist, in dem flachen Bereich gebildet ist; und

der Schritt (d-1) den folgenden Schritt aufweist:

Einsetzen des Arms in die Kerbe und den Kanal.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei

eine mit dem Kanal verbundene Ausnehmung in einer Außenfläche des Führungsrings gebildet ist;

der Arm einen ersten Bereich, der sich von dem zentralen Bereich erstreckt, und einen zweiten Bereich aufweist, der sich von dem ersten Bereich erstreckt und an einer Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich hakenförmig ausgebildet ist; und

der Schritt (d-1) den folgenden Schritt aufweist:

Einsetzen des zweiten Bereichs in die Ausnehmung unter gleichzeitigem Einsetzen des ersten Bereichs in die Kerbe und den Kanal.