SE440570B - Halvledardon av tryckkontakttyp - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 80019715-1 2 stämpeln 14 via ett lödskikt 16. Molybdenplattans 12 andra yta är vidare tryckt mot tyristorn ll på katodelektrod- sidan.

I fråga om konventionella halvledareffektelement, såsom en tyristor och en diod, är en katodelektrod 21 bildad elektriskt integrerat därmed, såsom visat i fig 2.

Någon allvarlig ändring i elektriska egenskaper förorsa- kas därför ej ens om halvledarelementet hoptryckes något ojämnt. Hänvisningsnumret 22 i fig l representerar för övrigt en styrelektrod.

I majoriteten av halvledarelement, vilka på sena- re tid hardragit uppmärksamheten till sig på detta område, såsom en högeffektstransistor och en släckbar tyristor, är emellertid katodområdet 31 (eller emitterområdet) bil- dat i ett mesaparti 31, såsom visat i fig 3B. Katodområdet 31 är således uppdelat-i ett flertal mesapartier, såsom visat i fig 3A, och ej visade elektroder, bildade på de olika uppdelade sektionerna av katodomrâdet 31, tryckes av en metallstämpel via en metallplatta, belägen inom det område som är angivet med en streckad linje i fig 31.

Då halvledarelementet är en släckbar tyristor, tillåtes katodområdets 31 uppdelade sektioner att arbeta samtidigt såsom oberoende, släckbara tyristorer, varigenom släck- ningsfunktionen utföres för en stor ström. Det är därmed absolut nödvändigt att hela katodelektroden tryckes lik- formigt för att förhindra ojämnhet i strömmen bland katod- elementen, förorsakad av partiell tryckning eller skillnad i kontaktresistans liksom av ojämnheten i släckningsegen- skapen, förorsakad av skillnaden i tryckkraft.

I samband med föreliggande uppfinning har man kommit till insikt om att trycktillstândet hos halvledardonet av denna typ i grunden är lika med det fall då en stel pela- re, svarande mot metallplattan och metallstämpeln, tryckes mot en halvt oändlig, elastisk kropp, svarande mot halv- ledarelementet. Det antages att en stel pelare 42 tryckes mot en halvt oändlig, elastisk kropp 41, såsom visat i fig 4A. I detta fall representeras en påkänning P(x), alstrad i kroppen 41 i en mot kontaktplanet vinkelrät riktning, av .,,.,.. . _... »_ 8d01915-1 3 nedan angivna formel (l) enligt beskrivningen på exempel- vis sid 45 i "Theory of Elastic Contact", Garlin samt sid 1085 i “Handbook on Design of Strength": P(x) = ---9-- ..... (1) m/Rz - xz där q = på den stela pelaren pålagt tryck, R = den stela pelarens radie, x = avståndet från den stela pelarens centrum.

Fig 4B visar i grafisk form ovan angivna formel (l).

Det framgår klart att den i den halvt oändliga, elas- tiska kroppen 4l alstrade påkänningen gradvis ökar mot den stela pelarens 41 periferi och når oändligheten i området i kontakt med den stela pelarens periferi. Detta antyder att pâkänningen har en benägenhet att koncentre- ras till halvledarelementets perifera parti när det gäl~ ler ett halvledardon av tryckkontakttyp. I själva verket undersöktes faktiskt släckbara tyristordon, som förstörts under drift, med det resultatet att en cirkelformig för- djupning återfanns utmed den i fig 3A visade streckade linjen på de släckbara tyristorelementen i huvuddelen av donen. En markant minskning av den maximala anodströmmen (maximal reglerbar ström) under drift upptäcktes också i det släckbara tyristordon som uppvisade den cirkelformiga fördjupningen. Det antages att den ojämna påkänningsför- delningen, såsom visad i fig 4B, ger upphov till en ojämn fördelning av anodströmmen i planet, vilket åvägabringar en minskning i den ovan nämnda maximala anodströmmen, Ett släckbart tyristordon, som uppvisar den cirkelformiga för- djupningen, ger upphov till en ytterligare, allvarlig svå- righet genom att katodelektrodens periferi parti skjutes ut på grund av den termiska utmattningen under drift med det resultatet att katodelektroden föres i direkt kontakt med styrelektroden (kortslutning).- För att övervinna de ovan beskrivna svårigheterna föreslås att ojämnheten i påkänningsfördelningen dämpas genom anordnande av en metallstämpel 51 med ett urtag 51A, :001915-1 10 15 20 25 30 35 4 såsom visat i fig 5. Vid detta fall deformeras emellertid en mellan metallstämpeln 51 och ett ej visat halvledar- element belägen metallplatta skiljaktigt i beroende av metallplattans 52 tjocklek, varför detta utförande ej ger någon väsentlig lösning på problemet med ojämn påkän- ningsfördelning. Det har också föreslagits att en spetsig vinkel skäres vid metallplattans 62 perifera parti 62a på ett halvledarelements 61 sida, dvs en kantavgradning, såsom visat i fig 6. Skärvinkeln O är bestämd valfritt utan förnuftig grund, ehuru det är vanligt att inställa skärvinkeln på 300 eller mer. Metallplattan 62 är i all- mänhet ungefär 500-l0O0 um tjock och det skurna partiet vid metallplattans 62 kant är ungefär 100-300 um högt.

Halvledarelementets katodområde är å andra sidan ungefär lO-30 um högt. Därmed är det klart att kantavfasningen av metallplattan 62 är i huvudsak betydelselös. Närmare be- stämt åstadkommer kantavfasningen blott och bart en över- föring av kontaktpunkten mellan halvledarelementet 61 och metallplattans 62 kant från en punkt P till en punkt Q, såsom visat i fig 6. _ Under dessa förhållanden är det av yttersta betydel- se inom området att problemet med ojämn påkänningsfördel- ning inom halvledarelementet löses.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett halvledardon av tryckkontakttyp, vilket är fritt från påkänningskoncentration vid halvledarelementets peri- fera parti samt medger ett likformigt tryck över halvle- darelementets hela område.

Enligt föreliggande uppfinning är ett halvledardon av tryckkontakttyp åstadkommet, vilket innefattar ett halv- ledarelement, åtminstone en metallplatta med en yta i kon- takt med en yta hos halvledarelementet samt ett tryckorgan, som innefattar en metallstämpel, vilken tjänar till att utöva tryck på halvledarelementet via metallplattan, vilken har en värmeutvidgningskoefficient_mellan dem för halvle- darelementet och metallstämpeln, och detta halvledardon kännetecknas därav, att metallplattans perifera parti på den kontaktgörande ytans sida bildar ett sådant krökt plan, 10 15 20 25 30 35 8001915-1 5 att nämnda yta hos halvledarelementet är tangentiellt till metallplattans krökta plan.

I allmänhet har metallstämpeln en värmeutvidgnings- koefficient, som är 5-7 ggr så stor som den hos halvle- darelementet (i allmänhet kisel), och metallplattan har en värmeutvidgningskoefficient, som är 2-5 ggr så stor som den hos halvledarelementet.

Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till medföljande ritningar. Fig l är en tvärsnittsvy, som visar ett konventionellt halvledardon av tryckkontakttyp. Fig 2 är en planvy, som visar katod- elektroden och styrelektroden hos en konventionell tyris- tor. Fig 3A är en planvy, som visar katodområdet i ett släckbart tyristordon. Fig 3B är en tvärsnittsvy längs linjen B-B i fig 3A. Fig 4A är en vy, som är avsedd att förklara påkänningsfördelningen i ett konventionellt halv ledardon av tryckkontakttyp samt visar att en halvt oänd- lig, elastisk kropp, motsvarande ett halvledarelement, utsättes för tryck av en stel pelare, som motsvarar en metallplatta och en metallstämpel. Fig 4B är ett diagram, som visar påkänningsfördelningen inom den halvt oändliga, elastiska kroppen under tillståndet i fig 4A. Fig 5 och 6 är tvärsnittsvyer, som visar ett annat slag av olika, konventionella halvledardon av tryckkontakttyp. Fig 7A är en vy, som är avsedd att förklara föreliggande uppfin- nings princip samt visar att en halvt oändlig, elastisk kropp, som motsvarar ett halvledarelement, utsättes för tryck av en stel pelare, som motsvarar kombinationen av en metallstämpel och en metallplatta, angivna i förelig- gande uppfinning. Fig 7B är ett diagram, som visar påkän- ningsfördelningen i den halvt oändliga, elastiska kroppen under tillståndet i fig 7A. Fig 8 är en tvärsnittsvy, som visar ett halvledardon av tryckkontakttyp enligt en utfö- ringsform av föreliggande uppfinning. Fig 9A är en vy, som är avsedd att förklara tillståndet hos föreliggande uppfinning för åstadkommande av en metallplatta med ett krökt perifert parti samt visar den högra hälften av ett system, i vilket en halvt oändlig, elastisk kropp, som soo191s-1 6 motsvarar ett halvledarelement, är satt under tryck av en stel pelare, som svarar mot kombinationen av en metallplat- “ta och en metallstämpel. Fig 9B är ett diagram, som visar påkänningsfördelningen inom den halvt oändliga, elastiska kroppen under tillståndet i fig 9A. Fig 10 är ett diagram, som visar sambandet enligt föreliggande uppfinning mellan krökningsradien hos en metallplattas krökta parti och ra- dien R hos en stel pelare. Fig 11A-13 visar ytterligare .utföringsformer av föreliggande uppfinning.

Först skall uppfinningens princip beskrivas i det följande.

I ett halvledardon av tryckkontakttyp enligt förelig- gande uppfinning bildar den perifera delen av en metall- platta på sidan i direkt kontakt med ett halvledarelement ett sådant krökt plan, att halvledarelementets yta är tangentiell till metallplattans krökta plan. Fig 7A visar att en halvt oändlig elastisk kropp 71, som svarar mot ett halvledarelement, utsättes för tryck av en stödande, stel pelare 72 med en radie R, vilken pelare motsvarar kombinationen av en metallplatta och en metallstämpel i halvledardonet enligt föreliggande uppfinning. Det skall påpekas, att den undre perifera delen av den stela pela- ren 72 bildar ett sådant krökt plan, att den övre ytan av den halvt oändliga elastiska kroppen 71 är tangentiell till den stela pelarens 72 krökta del. I detta fall ut- tryckes påkänningen P(x), som utövas på den halvt oändliga elastiska kroppen 7l, genom följande formel: Pm) = ä? [(c2+ zxzp/cz - X2] (2) ' C u-.no där q = trycket, C = radien för det cirkelformiga området, inom vilket den halvt oändliga elastiska kroppen och den ste- la pelaren i huvudsak gör_kontakt med varandra, _samt x = avståndet från den stela pelarens centrum. 10 15 20 25 30 35 8601915-1 7 Fig 7B är en grafisk bild av ovannämnda formel (2).

Det framgår klart av formeln (2) och fig 7B att den ste- la pelarens 72 radie R är irrelevant för fördelningen av påkänningen P(x), som utövas på den halvt oändliga elas- tiska kroppen 71, och påkänningen utövas på den elastiska kroppen inom ovannämnda område. Det är betydelsefullt att lägga märke till att den påkänning som utövas på den pe- rifera delen av den halvt oändliga, elastiska kroppen är mindre än dubbla värdet i den centrala delen av den halvt oändliga elastiska kroppen. Den på den halvt oändli- ga elastiska kroppen utövade påkänningen är med andra ord relativt likformigt fördelad utan att ge upphov till någon extremt hög påkänning i den perifera delen, när den ste- la pelarens eller metallplattans perifera parti är krökt på det särskilda sättet. Den perifera delen av metallplat- tan bör för övrigt lämpligen vara så krökt, att metallplat- tans radie är endast något större än radien för det cir- kelformiga kontaktområdet mellan metallplattan och halvle- darelementet i och för upprätthållande av en hög värmeled- ningsförmåga, förhindrande av strömojämnhet till följd av skillnad i kontaktresistans, underlättande av metall- plattans behandling samt undertryckande av en förstoring av det resulterande halvledardonet.

Utföringsformer, på vilka uppfinningens princip är tillämpad, skall beskrivas i det följande. y Ett halvledardon av tryckkontakttyp är visat i fig 8 och innefattar ett halvledarelement av typen släckbar ty- Ä ristor 81. Tyristorn 81 har uppbyggnaden P-N-P-N och är framställd genom utnyttjande av gängse diffusionstek- nik. Det översta skiktet av N-typ, dvs katodområdet, i den släckbara tyristorn Bl är uppdelat i ett flertal mesapar- tier, såsom visat i fig 3A och 3B, och ej visade elektro- der är monterade på katodområdet, anodomrâdet resp det mellanliggande skiktet av P-typ.

En volframskiva 83 med större diameter än den släck- bara tyristorn 81 är direkt förbunden genom ett legerings- förfarande med den släckbara tyristorn 81 på anodområdets sida. En kopparstämpel 85 är vidare fastgjord vid volfram- 8001915-1 10 15 20 25 30 35 8 plattans 83 andra sida via ett lödskikt 87. Å andra sidan är en molybdenskiva 82 med mindre diameter än den släck- bara tyristorn 81 genom ett legeringsförfarande förbunden med den släckbara tyristorn 81 på katodområdessidan. Det framgår att den undre perifera delen av molybdenplattan 82 är krökt, såsom kommer att beskrivas i detalj nedan.

Vidare är en kopparstämpel 84 fastgjord via ett lödskikt 86 vid den andra ytan av molybdenplattan 82. Kopparstämp- larna 84 och 86 tryckes i med pilar angivna riktningar för åstadkommande av ett släckbart tyristordon av tryck- kontakttypen. Det släckbara tyristordonet av ovan beskriv- na konstruktion ger följande fördelar: (l) Eftersom den påkänning som utövas på den släckbara tyristorn är relativt likformigt fördelad, hindras den släckbara tyristorn från att uppbära en över- driven mekanisk påkänning, vilket leder till en för- bättring av det släckbara tyristordonets tillförlit- lighet. (2) Eftersom påkänningsfördelningen är relativt likfor- mig, erfares ingen väsentlig skillnad i elektriska egenskaper mellan de uppdelade sektionerna av katod- omrâdet, vilket gör det möjligt att hindra egenskaps- försämringen hos det släckbara tyristordonet. (3) Det är möjligt att förhindra en kortslutning mellan styrelektroden och katodelektroden.

De ovan nämnda fördelarna uppnås naturligtvis även om den släckbara tyristorn 81 som användes som halvledarele- ment ersättas av exempelvis en transistor, en tyristor eller en diod.

Såsom tidigare beskrivits utgör molybdenplattans 82 undre perifera parti ett krökt plan i utföringsformen en- ligt fig 8. Fig 9A och 9B visar tillsammans hur det krök- ta planet vid föreliggande uppfinning åstadkommas. I sam- band med föreliggande uppfinning har för övrigt experimen- tellt bekräftats, att en väsentlig ändring i elektriska egenskaper åstadkommes om den högsta pâkänningen vid halv- ledarelementets perifera parti hålles inom ungefär 3 ggr det lägsta värdet i halvledarelementets centrala parti. 8001915-1 9 I fig 9A representerar hänvisningsnumren 91 och 92 en släckbar tyristor respektive en metallplatta med radien R.

Fig 9B visar att en påkänning 3 - P(o), där P(o) repre- senterar den påkänning som utövas på den släckbara tyris- torns 91 centrum, utövas på den släckbara tyristorn 91 i en punkt x, dvs P(x') = 3P(o). Enligt föreliggande uppfinning är metallplattan 92 krökt på sådant sätt, att den släckbara tyristorns 91 övre yta är tangentiell till den krökta delen av metallplattan 92 i ovannämnda punkt x'. Såsom framgår av fig 9A och 9B är den minsta krök- ningsradie r för det krökta partiet som uppfyller kravet enligt föreliggande uppfinning lika med skillnaden mellan metallplattans 92 radie R och avståndet x' från den släck- bara tyristorns 91 centrum (r' = R-x'). Den tillåtna krök- ningsradien r kan således uttryckas genom en allmän for- mel: _ m3.

R (1 - -~ r 3 liv Fig 10 visar sambandet mellan radien R för metall- plattan och den tillåtna krökningsradien r nos metallplat- tan. Den heldragna linjen i fig 10 representerar den undre gränsen för den tillåtna kröktningsradien r. Den perifera delen av metallplattan skall med andra ord vara krökt med en krökningsradie, som faller inom det streckade området över den heldragna linjen i fig 10.

Fig ll-13 visar ytterligare utföringsformer av före- liggande uppfinning. I fig 11A och 1lB sättes ett halvle- darelement 111 under tryck av en ringformad metallplatta 112. I detta fall är skillnaden mellan den ringformade me- tallplattans 112 yttre och inre diametrar dividerad med två för erhållande av värdet R, visat i fig 10, och sambandet i fig 10 är tillämpat för bestämning av krökningsradien för den krökta del som är bildad vid metallplattans 112 periferi. I fig 12A och l2B är ett halvledarelement 121 satt under tryck av ett flertal uppdelade sektioner av en metallplatta 122. I detta fall är krökningsradien i fråga bestämd under antagandet att var och en av de uppdelade sektionerna bildar en oberoende metallplatta. Fig 13 visar sáoo191s-1 10 15 20 25 10 vidare att krökningsradien r är större än en metallplattas- 132 radie R. I detta fall är radien för det cirkelformiga kontaktomrâdet mellan metallplattan 132 och ett halvledar- element l3l markant mindre än radien R för metallplattan 132, såsom framgår av ritningen, och därmed är den ej så effektiv. Utföringsformen i fig 13 uppfyller emellertid sambandet mellan R och r, angivet i fig 10, och är därmed inbegripen inom uppfinningens ram. Uppfinningen täcker med andra ord även fallet: R á r.

I utföringsformen enligt fig 8 är molybdenplattan 82 cirkelformig. Det är emellertid möjligt att använda en rektangulär molybdenplatta. I detta fall skall kröknings- radien r för molybdenplattans krökta parti uppfylla samban- det: r à R (1 - 2573) , där R är hälften av aen kortare sidan hos den rektangulära molybdenplattan.

Såsom framgår av ovanstående beskrivning förhöjes effekten hos föreliggande uppfinning avsevärt, om metall- plattan är mindre än halvledarelementet. Om den i fig 8 visade volframplattan 83 göres mindre än den släckbara ty- ristorn 81, skall plattan 83 således också förses med ett krökt periferiparti på det särskilda sättet enligt förelig- gande uppfinning.

I var och en av de häri beskrivna utföringsformerna är en metallplatta direkt förbunden med ett halvledarele- ment. Det är emellertid möjligt att forma en tunn film av exempelvis aluminium eller molybden mellan metallplattan och halvledarelementet. I detta fall skall filmen vara till- räckligt tunn för bibehållande av den verkan som åstadkom- K mes av metallplattans krökta periferiparti.

Claims (11)

1. 0 15 20 25 30 35 8001915-1 ll PATENTKRAV l. Halvledardon av tryckkontakttyp, innefattande ett halvledarelement, åtminstone en metallplatta med en yta i kontakt med en yta hos halvledarelementet samt tryckorgan, innefattande en metallstämpel, som tjänar till att utöva tryck på halvledarelementet via metallplattan, vilken har en värmeutvidgningskoefficient mellan dem för halvledar- elementet och metallstämpeln, k ä n n e t e c k n a t därav, att metallplattans perifera parti på kontaktgö- ringsytans sida bildar ett sådant krökt plan att nämnda yta hos halvledarelementet är tangentiell till metallplattans krökta plan.

2. Don enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k- n a t därav, att metallplattan är en skivformig platta.

3. Don enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k- n a t därav, att krökningsradien (r) för metallplattans krökta plan uppfyller sambandet: r å R (l - 2/573), där R är metallplattans radie.

4. Don enligt patentkravet l, n a t därav, att metallplattan är rektangulär. k ä n n e t e c k- k ä n n e t e c k-

5. Don enligt patentkravet 4, n a t därav, att krökningsradien (r) för metallplattans krökta plan uppfyller sambandet: r à R (l - 2/373), där R är hälften av den kortare sidan hos den rektangulära me- tallplattan.

6. Don enligt patentkravet l, n a t därav, att metallplattan är ringformig. k ä n n e t e c k- k ä n n e t e c k-

7. Don enligt patentkravet 6, n a t därav, att krökningsradien (r) för metallplattans krökta plan uppfyller sambandet: r à R (l - 2/573), där R är hälften av skillnaden mellan den ringformade metallplat- tans yttre och inre diametrar.

8. Don enligt något av patentkraven 1-7, t e c k n a t därav, att halvledarelementet är en släck- bar tyristor och att metallplattan åtminstone är anordnad på den släckbara tyristorns katodelektrodsida. k ä n n e- 8ÛÛ1915-1 12

9. Don enligt något av patentkraven l-7, t e c k n a t därav, att metallplattan är bildad av molyb- k ä n n e- den eller volfram.

10. Don enligt något av patentkraven 1-7, t e c k n a t därav, att ett lödskikt är bildat mellan metallplattan och metallstämpeln.

ll. Don enligt något av patentkraven 1-7, t e c k n a t därav, att en tunn metallfilm är anordnad k ä n n e- k ä n n e- mellan halvledarelementet och metallplattan.