DE1156173B

DE1156173B - Power transistor

Info

Publication number: DE1156173B
Application number: DEB40996A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Gotthold Zielasek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1956-07-11
Filing date: 1956-07-11
Publication date: 1963-10-24
Also published as: FR1177627A; CH348470A

Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

B40996Vmc/21gB40996Vmc / 21g

ANMELDETAG: 11. JULI 1956REGISTRATION DATE: JULY 11, 1956

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UN© AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. OKTOBER 1963 NOTICE
THE REGISTRATION
UN © ISSUE OF
EDITORIAL: OCTOBER 24, 1963

Die Erfindung betrifft einen Leistungstransistor mit einem als dünne Scheibe ausgebildeten Halbleiterelement, das an der Mittelzone seiner ebenen Stirnflächen je einen Metallbolzen trägt, von denen der eine als Emitter- und der andere als Kollektorzuleitung dient, wobei sie mit ihren einander zugekehrten Stirnseiten an der Halbleiterscheibe unter Verwendung eines gleichzeitig als Legierungswerkstoff dienenden, den Leitfähigkeitstyp der Mittelzone bestimmenden Lötmittels angelötet sind und sich gleichachsig zueinander erstrecken.The invention relates to a power transistor with a semiconductor element designed as a thin disk, which carries a metal bolt in the middle zone of its flat end faces, of which the one serves as an emitter and the other as a collector lead, with their facing each other End faces on the semiconductor wafer using a material that also serves as an alloy material, The soldering agent determining the conductivity type of the central zone is soldered on and is equiaxed extend towards each other.

Der Anwendungsbereich der bekannten Transistoren dieser Art in Regeleinrichtungen für Stromerzeuger von Kraftfahrzeugen ist deswegen sehr begrenzt, weil die infolge der dabei auftretenden hohen Stromstärken entstehende Wärme nicht oder nicht ausreichend abgeführt werden kann. Beispielsweise wird bei den bekannten Flächentransistoren mit Metallbolzen als Emitter- und Kollektorzuleitung die Kühlung des Halbleiterkörpers dadurch erschwert, daß die Halbleiterbasisscheibe isoliert angeordnet ist. Lediglich bei Spitzentransistoren ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der die Halbleiterscheibe an einem zur Emitter- und Kollektorzuleitung koaxialen Metallrohr befestigt ist. Da das Kühlproblem bei Spitzentransistoren jedoch keine Rolle spielt, dient die bekannte Anordnung nur der mechanischen Stabilität.The field of application of the known transistors of this type in control devices for power generators of motor vehicles is very limited because of the high currents that occur the resulting heat cannot be dissipated or cannot be dissipated sufficiently. For example, at the known flat transistors with metal bolts as emitter and collector leads to cool the Semiconductor body made difficult in that the semiconductor base wafer is arranged in an insulated manner. Only at Tip transistors, an arrangement has become known in which the semiconductor wafer on a to Emitter and collector lead is attached to a coaxial metal tube. Since the cooling problem with tip transistors does not matter, however, the known arrangement is only used for mechanical stability.

Es ist zwar auch bei Flächentransistoren eine Anordnung bekanntgeworden, bei der nicht nur der Emitter und der Kollektor, sondern auch die Basis gekühlt wird. Zu diesem Zweck ist die Basis mit einem dünnen, L-förmig gestalteten Anschlußstück verlötet. Dieses Anschlußstück ist jedoch als erschütterungssicheres Befestigungsteil ungeeignet, da Lötverbindungen auf Halbleitermaterialien erfahrungsgemäß schlecht haften. Die einseitige Verbindung des Anschlußstückes mit der Halbleiterscheibe verursacht außerdem eine starke Stauung des Wärmeabflusses und vermindert dadurch die Kühlwirkung erheblich.It is true that an arrangement has also become known in the case of flat transistors in which not only the Emitter and the collector but also the base is cooled. For this purpose the base is using soldered to a thin, L-shaped connector. This connector is, however, as a vibration-proof Fastening part unsuitable as experience has shown that soldered connections are made on semiconductor materials stick badly. The unilateral connection of the connector with the semiconductor wafer caused in addition, a strong stagnation of the heat flow and thereby considerably reduces the cooling effect.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Leistungstransistor mit möglichst guter Wärmeableitung und einfachem und stabilem Aufbau herzustellen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Basiselektrode ein einstückiges, zu den Anschlußbolzen koaxiales Metallrohr verwendet ist, das innen etwa in seinem Mittelabschnitt einen Bund aufweist, auf dessen ringförmiger Schulterfläche die Halbleiterscheibe in an sich bekannter Weise entlang ihrer Randzone mit der Basiselektrode verlötet ist.The invention was based on the object of providing a power transistor with the best possible heat dissipation and to produce a simple and stable structure. This is achieved according to the invention in that a one-piece metal tube coaxial with the connecting bolt is used as the base electrode and is inside has a collar approximately in its central section, on the annular shoulder surface of which the semiconductor wafer is soldered in a manner known per se along its edge zone to the base electrode.

Dieser Leistungstransistor zeichnet sich darüber hinaus durch seinen erschütterungssicheren Aufbau aus und bietet infolge seiner symmetrischen Anord-Leistungstransistor This power transistor is also characterized by its vibration-proof structure and offers due to its symmetrical arrangement power transistor

Anmelder:Applicant:

Robert Bosch G.m.b.H.,
Stuttgart W, Breitscheidstr. 4Robert Bosch GMBH,
Stuttgart W, Breitscheidstr. 4th

Dipl.-Phys. Gotthold Zielasek, Stuttgart-Botnang,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Gotthold Zielasek, Stuttgart-Botnang,
has been named as the inventor

nung vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in Koaxialleitungen.variety of possible applications, e.g. B. in coaxial lines.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigtAn exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawing. It shows

Fig. 1 den Leistungstransistor im Längsschnitt und Fig. 2 in der Draufsicht.Fig. 1 shows the power transistor in longitudinal section and Fig. 2 in plan view.

Der Leistungstransistor weist ein als Basis dienendes Metallrohr 10 aus Kupfer auf, das innen einen ringförmigen Bund 11 hat. Auf die Mantelfläche des Metallrohres sind Kühlrippen aufgesetzt, die von einem mehrfach gefalteten Blechband 12 gebildet werden. Als Anschlußstück für die Basiszuleitung dient ein angelöteter Ansatz 13 mit einem Innengewinde 14. Das Halbleiterelement des Transistors besteht aus η-Germanium und ist als dünne kreisförmige Scheibe 15 ausgebildet. Diese liegt mit ihrer Randzone auf dem Bund 11 auf und ist dort mit Zinn festgelötet. Gegen die Mittelzone der Scheibe 15 ist von der einen Seite her ein aus Aluminium bestehender Bolzen 16, von der anderen Seite her ein ebenfalls aus Aluminium bestehender Bolzen 17 festgelötet. Zwischen den Stirnseiten dieser Bolzen und der Halbleiterscheibe 15 befindet sich jeweils eine Schicht 18 und 19 aus Indium, die durch eine Wärmebehandlung an ihren Berührungsflächen mit dem Germanium legiert ist und dort die für die Transistorwirkung erforderlichen Sperrschichten bildet. Damit sich die Metallbolzen bei dem gleichzeitig mit der Lötung erfolgenden Legierungsvorgang gut mit dem Indium verbinden, werden sie vorher mit einer Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure geätzt oder an ihrer Berührungsfläche mittels Ultraschall mit einem Überzug aus Indium versehen. Die erwähnten Einzelteile werden dann in einer Graphitform zusammengesetzt und in einer Wasserstoff-Schutzatmosphäre einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 400 bis 500⁰C unterworfen. Die Metallbolzen 16 und 17The power transistor has a metal tube 10 made of copper, which serves as a base and which has an annular collar 11 on the inside. Cooling fins, which are formed by a sheet metal strip 12 that is folded several times, are placed on the outer surface of the metal pipe. A soldered-on attachment 13 with an internal thread 14 serves as a connection piece for the base lead. The semiconductor element of the transistor consists of η-germanium and is designed as a thin circular disk 15. This rests with its edge zone on the collar 11 and is soldered there with tin. A bolt 16 made of aluminum is soldered to the middle zone of the disk 15 from one side and a bolt 17 made from aluminum is also brazed from the other side. Between the end faces of these bolts and the semiconductor wafer 15 there is a respective layer 18 and 19 made of indium, which is alloyed with the germanium by a heat treatment at its contact surfaces and there forms the barrier layers required for the transistor effect. So that the metal bolts bond well with the indium during the alloying process that takes place at the same time as the soldering, they are previously etched with a mixture of nitric acid and hydrofluoric acid or provided with an indium coating on their contact surface using ultrasound. The individual parts mentioned are then assembled in a graphite mold and subjected to a heat treatment at a temperature of approximately 400 to 500 ^° C. in a protective hydrogen atmosphere. The metal bolts 16 and 17

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sind an ihren aus dem Rohr 10 herausragenden Ende jeweils mit einem Muttergewinde 21 versehen, das zur Befestigung von in der Zeichnung nicht dargestellten Anschlußleitungen dient. are each provided at their end protruding from the tube 10 with a nut thread 21 which is used to attach connecting lines, not shown in the drawing.

Der als Kollektorzuleitung dienende Bolzen 17 ist außerdem mit einem Kühlblech 20 zur besseren Wärmeableitung versehen. An Stelle eines Kühlblechs können auch Kühlrippen vorgesehen sein. Die beschriebene Anordnung mit einem die Basis bildenden, als Kühlkörper wirkenden Metallrohr ermöglicht es, den Emitter mit besonders großem Querschnitt auszuführen. Dies ist deswegen besonders wichtig, damit hohe Emitterströme zugelassen werden können.The bolt 17 serving as a collector lead is also provided with a cooling plate 20 for better Provide heat dissipation. Instead of a cooling plate, cooling fins can also be provided. The described Arrangement with a metal tube forming the base and acting as a heat sink makes it possible to design the emitter with a particularly large cross-section. So this is especially important with it high emitter currents can be permitted.

Claims

PATENT CLAIM:

Power transistor with a semiconductor element designed as a thin disk, which in the middle zone of its flat end faces each carries a metal bolt, one of which serves as an emitter and the other as a collector lead, with their facing end faces on the semiconductor wafer using one at the same time as Alloy material serving, the conductivity type of the central zone determining solder are soldered and extend coaxially to each other, characterized in that a one-piece metal tube (10) is used as the base electrode, coaxial to the connecting bolt, which has a collar (11) inside approximately in its central section , on the annular shoulder surface of which the semiconductor wafer (15) is soldered to the base electrode along its edge zone in a manner known per se.

Considered publications:

German Auslegeschrift R13270 VIII c / 21g (published on May 17, 1956);

U.S. Patent No. 2,560,579;

French Patent No. 1088 007;

Belgian Patent No. 533 745;

"Direct Current", Vol. 2 (1955), H. 7, p. 171;

"L'Onde filectrique", Vol. 36 (1956), H. 348,
Pp. 224 to 229;

"Electrical engineering", Vol. 37 (1955), H. 48, p. 414.

For this purpose, 1 sheet of drawings