DE1041600B

DE1041600B - In einem metallischen Gehaeuse eingebautes, waermeempfindliches, elektrisches Halbleiterbauelement, wie Leistungstransistor oder Richtleiter

Info

Publication number: DE1041600B
Application number: DES50740A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Eberhard Thuermel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-10-02
Filing date: 1956-10-02
Publication date: 1958-10-23
Also published as: CH352056A; FR1187071A; GB851744A

Description

DEUTSCHES

Gute Wärmeableitung in elektrischen Halbleiterbauelementen, wie Transistoren oder Richtleiter, zu erzielen, ist ein allgemein schwierig zu lösendes Problem. Besonders bei Leistungstransistoren treten während des Betriebes erhebliche Wärmemengen auf, die zu einer Beeinträchtigung der Transistoreigenschaften oder gar zur Zerstörung eines Transistors führen können, wenn nicht für hinreichende Wärmeableitung Sorge getragen wird. Es ist bekanntgeworden, eine der Elektroden, beispielsweise den Kollektor, mit dem Transistorgehäuse leitend zu verbinden und dadurch eine einigermaßen wirksame Wärmeableitung zu erzielen. Es ist ferner vorgeschlagen worden, Wärmebrücken zu verwenden, etwa in der Form von Metallstücken oder -platten, die zugleich als Haltevorrichtungen für den Transistor dienen können. Weitere Vorschläge laufen darauf hinaus, den Transistor in Öl oder ein Fett einzubetten, dem gemäß weiterer Vorschläge verhältnismäßig gut wärmeleitende, aber isolierende Stoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, zugesetzt sein können. Die genannten Maßnahmen zur Erzielung einer schnellen Wärmeableitung sind jedoch insbesondere bei der Steuerung großer Leistungen schwierig durchzuführen oder umständlich in der Herstellung.

Darüber hinaus ist es bei aus mehreren Gleichrichterelementen aufgebauten Trockengleichrichtern, die mit Gießharz überzogen sind, bekannt, daß mittels des Gießharzes wärmeableitende Kühlbleche derart mit angegossen sind, daß sie jeweils aus dem Gießharz herausragen oder innerhalb desselben die Wärmeableitung begünstigen. Hierbei ist auch vorgesehen, daß der Gleichrichter von einem weiteren Mantel aus Gießharz umgeben ist, derart, daß zwischen dem Mantel und dem Gleichrichter ein Hohlraum entsteht, der durch eine Masse hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Metallspänen, ausgefüllt ist.

Obwohl dabei ein sehr großer Aufwand betrieben wird, wird, abgesehen von den im Vergleich zu den Bauelementen erhaltenen unvergleichlich großen Abmessungen, eine tatsächliche Wärmeabfuhr nicht erreicht, denn die das Bauelement in relativ großer Entfernung umgebenden Kühlbleche sind selbst nur in der Lage, verhältnismäßig geringe Wärmemengen aufzunehmen. Die den Hohlraum zwischen dem Gießharzmantel ausfüllende, hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Masse ist mit wärmeisolierendem Stoff umgeben, so daß von hier aus eine Wärmeableitung nicht erfolgen kann. Der Wärmestrom hat also mehrere Flußwiderstände, und zwar vom Bauelement zu den Kühlblechen, von den Kühlblechen zur Masse hoher Wärmeleitfähigkeit, von der Masse hoher Wärmeleitfähigkeit zur Umhüllung zu überwinden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein in einem metal-

eingebautes, wärmeempfindliches,.

elektrisches Halbleiterbauelement,

wie Leistungstransistor oder Richtleiter

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Eberhard Thürmel, München,
ist als Erfinder genannt worden

lischen Gehäuse eingebautes, wärmeempfindliches, elektrisches Halbleiterbauelement, wie Leistungstransistor oder Richtleiter. Hierbei wird die Aufgabe gelöst, eine besonders gute Wärmeableitung von dem in dem Gehäuse eingebauten wärmeempfindlichen elektrischen Halbleiterbauelement an die Umgebung zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Halbleiterbauelement und seine im Innern des Gehäuses befindlichen Zuleitungen mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Überzug versehen und in einen den Raum zwischen dem Halbleiterbauelement und der Gehäusewandung ganz oder teilweise ausfüllenden und das Halbleiterbauelement allseitig umgebenden, entweder aus einem reinen Metall bzw. einer Metallegierung bestehenden oder in überwiegendem Maße Metall in feiner Verteilung enthaltenden Füllstoff eingebettet sind. Bei der vorliegenden Anordnung hat der Wärmestrom nur eine sehr dünne elektrisch isolierende Schicht zu überwinden. Er wird dann sofort von der Füllmasse aufgenommen und an das metallische Gehäuse weitergegeben und abgeführt.

In der Zeichnung ist eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Anordnung beispielsweise dargestellt. 1 stellt ein metallisches Transistorgehäuse dar, dessen oberer Rand mit 1' bezeichnet ist. In dieses Gehäuse ist eine Metallmasse 2 eingegossen, in die der eigentliche Transistor, mit einer isolierenden Schicht 6 überzogen, eingebettet ist. Die Zuführungen des Transistors sind mit B (Emitter), B (Basis) und C (Kol-SOS 659/326

lektor) bezeichnet. Oberhalb des Gehäuses befindet sich der Deckel 4 mit Glaseinschmelzungen 5E, SB und 5 C zur Durchführung der Transistorzuleitungen. Die während des Betriebes entstehende Wärme wird auf Grund der hohen Leitfähigkeit des Füllmetalls 2 schnell nach außen abgeleitet. Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Dicke des isolierenden Überzuges verhältnismäßig gering zu wählen, weil er einen schlechteren Wärmeleiter als das umgebende Metall darstellt, also einen verhältnismäßig hohen Wärmewiderstand bietet. Als Materialien für den isolierenden Überzug haben sich beispielsweise Silikonlacke, Monovinylcarbazol und ähnliche Stoffe bewährt. Eine gebräuchliche Art des Leistungstransistors besteht aus einer Scheibe aus Germanium, in die zwei Pillen aus Indium auf gegenüberliegenden Seiten einlegiert sind. Die Schmelztemperatur des Füllmetalls 2 sollte möglichst unterhalb 150° C liegen, weil sonst das Indium des Transistors schmelzflüssig wird. Andererseits ist es zweckmäßig, wenn der Schmelzpunkt des Metalls nicht kleiner als 70° C ist, einer Temperatur, die etwa die Grenze darstellt, wie weit Transistoren ohne nachhaltige Schädigung noch erhitzt werden können. Die genannten Eigenschaften weisen eine Anzahl von Legierungen auf. insbesondere solche, die die Elemente Wismut. Blei. Cadmium oder Zinn enthalten. Beispielsweise kann das Newtonsohe Metall, welches aus 53% Wismut, 26% Zinn und 21% Cadmium besteht, oder eine andere Legierung, die aus 44% Blei und 56% Wismut zusammengesetzt ist. verwendet werden. Das Material des isolierenden Überzuges selbst ist im allgemeinen gegen Feuchtigkeit empfindlich. Das Wasser kann entlang der Zuführungsdrähte in den Transistor eindringen und diesen unbrauchbar machen. Aus diesem Grunde ist es im allgemeinen vorteilhaft, das Transistorgehäuse in bekannter Weise mit einem Deckel 4, welcher mit einem Wulst 4' versehen ist, nach oben noch gesondert zu verschließen. Die vakuumdichte Durchführung der Transistoranschlüsse E, B und C wird zweckmäßig mittels Glaseinschmelzungen SE, SB, SC gewährleistet.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebene Transistoranordnung. Es können bei Transistoren oder sonstigen elektrischen Halbleiterbauelementen, welche Temperaturen über 150° C ohne Schädigung aushalten, auch Metalle oder Metalllegierungen für die Füllmasse 2 verwendet werden, die einen entsprechend höheren Schmelzpunkt aufweisen. Andererseits können auch andere feste oder flüssige Füllstoffe, wie Öle und Fette, die mit Metallsplittern oder Metallstaub vermengt sind, als Füllmasse verwendet werden.

Die Herstellung eines Halbleiterbauelementes, z. B. eines Transistors, gemäß der Erfindung ist sehr einfach. Nach Überziehen des Transistors und seiner Zuleitungen mit einem isolierenden Stoff wird dieser in das Gehäuse eingeführt und das flüssige Füllmetall oder der sonstige flüssige Füllstoff in das Gehäuse gegossen, so daß der Transistor nach dem Festwerden des Füllstoffes fest eingebettet sitzt. Neben der vorteilhaften Eigenschaft, eine sehr gute Wärmeableitung vom Transistor zur Gehäusewandung zu besitzen, ergibt sie!) als weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden An- rdnung, daß beim Eingießen des Metalls zugleich der Wasserbelag, der sich am Transistor normalerweise festgesetzt hat, bei der hohen Temperatur des Metalls entfernt wird. Eine besondere Trocknung sowie Einfüllen eines besonderen Schutzgases erübrigt sich also bei der vorliegenden Anordnung. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist ihre hohe mechanische Stabilität.

Auch die Fertigung des Transistors ist an sich einfach, weil das Eingießen des Metalls und das dichte Verlöten des Deckels 4 in einem Arbeitsgang durchgeführt werden kann. Das Füllmetall 2 kann dabei zugleich als Lötmittel für das Zusammenlöten des Wulstes 4^y mit dem Gehäuserand verwendet werden, wenn das Transistorgehäuse bis in die Nähe des Randes damit gefüllt wird.

Außer Transistoren können gemäß der vorliegenden

Anordnung auch andere ähnliche wärmeempfindliche Halbleiterbauelemente untergebracht sein, die im Betrieb starken Erwärmungen ausgestzt sind.

Claims

Patentansprüche:

1. In einem metallischen Gehäuse eingebautes, wärmeempfindliches elektrisches Halbleiterbauelement, wie Leistungstransistor oder Richtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement und seine sich im Innern des Gehäuses befindlichen Zuleitungen mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Überzug versehen und in einen den Raum zwischen dem Halbleiterbauelement und der Gehäusewandung ganz oder teilweise ausfüllenden und das Halbleiterbauelement allseitig umgehenden, entweder aus einem reinen Metall bzw. einer Metallegierung bestehenden oder im überwiegenden Maße Metall in feiner Verteilung enthaltenden Füllstoff eingebettet sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Überzug aus Silikonlack» Monovinylcarbazol od. dgl. besteht.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder die Metallegierung mindestens eines der Elemente Wismut, Blei, Cadmium oder Zinn enthält oder daraus besteht und einen Schmelzpunkt zwischen 70 und 150° C aufweist.

4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einem Deckel dicht verlötet ist, der Glaseinschmelzungen zur Durchführung der Anschlüsse (Basis, Kollektor, Emitter) aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung von Transistoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der Transistor mit einer Isolatorschicht z. B. durch Tauchen, Spritzen od. dgl. überzogen wird und nach Einsetzen in das Gehäuse das flüssige Metall hineingegossen wird.

6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmetall so hoch in das Gehäuse eingefüllt wird, daß es beim Aufsetzen des Gehäusedeckels etwas über den Rand austritt und eine Verlötung zwischen dem Gehäuserand und dem Transistordeckel herbeiführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung L 19905 VIIIc/21g (bekanntgemadht am : )

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen