DE1166383B

DE1166383B - Semiconductor device

Info

Publication number: DE1166383B
Application number: DES67967A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Norbert Schink
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-04-08
Filing date: 1960-04-08
Publication date: 1964-03-26
Also published as: NL262292A; GB914034A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL Internat. KL: HOIlBoarding school KL: HOIl Deutsche KL: 21g-11/02German KL: 21g-11/02

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:Number: File number: Registration date: Display day:

S 67967 VIII c/21g
8. April 1960
26. März 1964 S 67967 VIII c / 21g
April 8, 1960
March 26, 1964

Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die einen scheibenförmigen Halbleiterkörper haben, der mit einer Trägerplatte großflächig verbunden ist, die aus einem Material besteht, das eine gute elektrische Wärmeleitfähigkeit aufweist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht. Bei Verwendung von Germanium oder Silizium kann dies z. B. Molybdän oder Wolfram sein.Semiconductor arrangements have already become known which have a disk-shaped semiconductor body have, which is connected over a large area to a carrier plate made of a material that has good electrical thermal conductivity and has a coefficient of thermal expansion that does not differ significantly from that of the semiconductor material. When using germanium or silicon can this z. B. molybdenum or tungsten.

Bei der Verbindung dieser Trägerplatte mit einem Körper, der zur Kühlung der Anordnung während des Betriebes dient, beispielsweise einem Kupferklotz mit Kühlfahnen, einem Kühlwasserkreislauf od. dgl., treten Schwierigkeiten auf. Die Trägerplatte muß mit dem Kühlkörper ebenfalls relativ großflächig verbunden sein, damit ein guter Wärmeübergang und ein geringer elektrischer Widerstand der Übergangsstelle gewährleistet ist. Bei Verwendung von Weichlot (Zinnlot, Bleilot) kann es vorkommen, daß bei höheren Belastungen und entsprechend starker Wärmeentwicklung die Schmelztemperatur des Lots zumindest örtlich überschritten wird und damit ein Ablöten auftritt. Bei Verwendung von Hartlot (Silberlot u. dgl.) kann die erforderliche Löttemperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des vorher fest mit der Trägerplatte verbundenen Halbleiterelementes, z. B. eines Transistors, Gleichrichters oder Fotoelementes, führen. Allgemein gilt für alle Lötungen, daß bei größeren Flächen, z. B. in der Größenordnung von Quadratzentimetern, wie sie insbesondere bei Elementen für höhere Leistungen vorkommen, das Lot sich gerne zwischen den beiden miteinander verbindenden Flächen zu Inseln zusammenballt und somit keine großflächige, sondern nur fleckenweise Lötung eintritt. Die Anwendung von Druck, Lötmitteln und anderen Hilfsmitteln ist hierbei ebenfalls nur in beschränktem Maße zulässig, da Störungen durch mechanische Spannungen, Verunreinigungen usw. auftreten können.When connecting this carrier plate to a body that is used to cool the assembly during the operation is used, for example a copper block with cooling fins, a cooling water circuit or the like. difficulties arise. The carrier plate must also be connected to the heat sink over a relatively large area so that a good heat transfer and a low electrical resistance of the transition point is guaranteed. When using soft solder (tin solder, lead solder) it can happen that with higher Loads and correspondingly strong heat development, at least the melting temperature of the solder is locally exceeded and thus a desoldering occurs. When using hard solder (silver solder and the like), the required soldering temperature can lead to a deterioration in the properties of the previously fixed semiconductor element connected to the carrier plate, e.g. B. a transistor, rectifier or photo element, to lead. The general rule for all soldering is that for larger areas, e.g. B. in the order of magnitude of square centimeters, as they occur in particular with elements for higher performance, the solder tends to cluster together to form islands between the two connecting surfaces and therefore no large-area soldering, but only patchy soldering. The application of pressure, Soldering agents and other aids are also only permitted to a limited extent because of interference mechanical tension, contamination, etc. can occur.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Die Erfindung bezieht sich demzufolge auf eine Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem großflächig verbundenen Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram sowie wenigstens einem zur Abführung und/oder der Verteilung der im Betrieb entstehenden Wärme dienenden Körper. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen Trägerplatte und Körper jeweils ein geschlossener und mit einem bei Raumtemperatur flüssigen Metall gefüllter Hohlraum. Hierdurch lassen sich alle zuvor beschriebenen Schwierigkeiten sicher HalbleiteranordnungThe invention is intended to avoid these disadvantages. The invention relates to consequently to a semiconductor device with a disk-shaped, essentially monocrystalline Semiconductor body and at least one carrier plate made of molybdenum and connected to it over a large area or tungsten and at least one for the removal and / or distribution of those produced during operation Body serving warmth. According to the invention there is one between the carrier plate and the body closed cavity filled with a metal that is liquid at room temperature. Let through this all the difficulties described above safely semiconductor device

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. phil. nat. Norbert Schink, ErlangenDr. phil. nat. Norbert Schink, Erlangen

umgehen. Zweckmäßigerweise ist der Rand der jeweiligen Trägerplatte mit dem zugehörigen Kühlkörper unter Zwischenschaltung eines balgenförmigen Geräteteiles verbunden, wodurch Wärmedehnungen ausgeglichen werden können.bypass. The edge of the respective carrier plate with the associated heat sink is expedient connected with the interposition of a bellows-shaped device part, whereby thermal expansion can be compensated.

Es ist bereits eine Halbleiteranordnung bekannt, deren Halbleiterkörper auf den Boden eines aus Metallblech gezogenen Napfes aufgelötet ist, der in ein topfförmiges Gehäuse hineinragt, das mit einer Flüssigkeit hoher Wärmekapazität gefüllt ist, z. B.A semiconductor arrangement is already known, the semiconductor body of which is made on the bottom of a Sheet metal drawn cup is soldered, which protrudes into a cup-shaped housing, which with a Liquid of high heat capacity is filled, e.g. B.

mit einem Wasser-Glyzerin-Gemisch. Da diese Halbleiteranordnung keine Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram hat, kann der Halbleiterkörper nur verhältnismäßig geringe Abmessungen aufweisen, wenn er bei Wärmewechselbeanspruchungen nicht zerstört werden soll. Außerdem weist die Flüssigkeit nur eine völlig unzureichende elektrische Leitfähigkeit auf.with a water-glycerine mixture. Since this semiconductor device does not have a carrier plate made of molybdenum or tungsten, the semiconductor body can only have relatively small dimensions, if it is not to be destroyed in the event of thermal cycling. It also has the liquid only a completely inadequate electrical conductivity.

Ferner sind Halbleiteranordnungen bekannt, welche mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Überzug versehen und in ein metallenes Gehäuse mit einem entweder aus reinem Metall bestehenden oder Metall in feiner Verteilung enthaltenden Füllstoff eingebettet sind. Auch diese Halbleiteranordnungen besitzen keine Trägerplatte und können deshalb nur sehr geringe Abmessungen aufweisen.Furthermore, semiconductor arrangements are known which have a thin, electrically insulating coating and in a metallic housing with either a pure metal or metal are embedded in a fine distribution containing filler. Also have these semiconductor arrangements no carrier plate and can therefore only have very small dimensions.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen.In the drawing, exemplary embodiments are shown, from which further details and advantages emerge from the invention.

Fig. 1 zeigt einen gekapselten Gleichrichter mit einer Trägerplatte, deren Rand mit dem Rand einer Ausnehmung in dem als Kühlkörper dienenden Kapselboden verbunden ist;Fig. 1 shows an encapsulated rectifier with a carrier plate, the edge of which with the edge of a recess in the serving as a heat sink Capsule bottom is connected;

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einem balgenförmigen Zwischenglied, und inFig. 2 shows an arrangement with a bellows-shaped Pontic, and in

Fig. 3 ist eine gekapselte Halbleiteranordnung dargestellt, die auf beiden Flachseiten des scheibenförmigen Halbleiterkörpers Kühlkörper trägt.Fig. 3 shows an encapsulated semiconductor arrangement on both flat sides of the disk-shaped Semiconductor body heat sink carries.

409 540/408409 540/408

1 166 $831 166 $ 83

3 43 4

In F i g. 1 besteht die Halbleiteranordnung im Die Herstellung der beschriebenen Anordnung wird wesentlichen aus dem eigentlichen Gleichrichter- zweckmäßigerweise in der Reihenfolge vorgenomelement, einschließlich Trägerplatten und der Kapsel men, daß zunächst einmal das aus den Teilen 2, 3, mit Kühlkörper. Eine Siliziumscheibe 2 von beispiels- 4, 5 und 6 bestehende eigentliche Gleichrichterweise 0,25 mm Stärke und 18 mm Durchmesser ist 5 element durch Legierung hergestellt wird, daß dann auf der Unterseite mit einer Schicht 3 bedeckt, die Lötung des Randes der Trägerplatte 4 mit dem die durch Einlegieren einer Gold-Bor-Folie (etwa Kühlklotz 7 vorgenommen wird, und daß schließlich 0,03 % B) von etwa 0,05 mm Stärke und 19 mm das aus den Teilen 11 bis 17 bestehende Oberteil des Durchmesser entstanden ist. Eine Molybdänscheibe 4 Gehäuses aufgesetzt und dieses durch Umbördelung von etwa 3 mm Stärke und 20 mm Durchmesser, die io geschlossen wird. Gegebenenfalls kann noch durch allseitig mit einer im wesentlichen aus Eisen, Nickel eine Zwischenlage bei der Umbördelung eine bessere und Kobalt bestehenden Legierung (28 bis 29% Abdichtung bewirkt werden.In Fig. 1 consists of the semiconductor arrangement in The manufacture of the arrangement described is essentially from the actual rectifier, expediently vorgenomelement in the order, including carrier plates and the capsule men, that first of all the parts 2, 3, with heat sink. A silicon wafer 2 of example 4, 5 and 6 existing actual rectifier 0.25 mm thickness and 18 mm diameter is 5 element made by alloy that is then covered on the underside with a layer 3, the soldering of the edge of the carrier plate 4 with which is made by alloying a gold-boron foil (about cooling block 7, and that finally 0.03% B) of about 0.05 mm thickness and 19 mm, the upper part of the diameter consisting of parts 11 to 17 was created. A molybdenum disk 4 is placed on the housing and this is closed by flanging about 3 mm thick and 20 mm in diameter, which is closed. If necessary, a better cobalt-based alloy (28 to 29% sealing) can be achieved by an intermediate layer on all sides with an intermediate layer consisting essentially of iron, nickel in the flanging.

Nickel, 17 bis 21 %> Kobalt, Mangan und Kohlenstoff Der Napf 17 wird, nachdem er mit der Litze 16 in Spuren. Rest Eisen) überzogen oder auf beiden verbunden ist, auf der Unterseite glatt geschliffen, Flachseiten plattiert ist, ist mit der Schicht 3 eben- 15 versilbert und dann mit der Platte 6 durch Hartfalls durch Legierung verbunden. Auf der Oberseite lötung verbunden. Anschließend werden die übrigen der Siliziumscheibe 2 befindet sich eine in der Haupt- Teile der Kapselung aufgesetzt und miteinander versache aus Gold bestehende Schicht 5, die durch Ein- bunden.Nickel, 17 to 21%> cobalt, manganese and carbon The cup 17 is, after being connected to the strand 16 in traces. Remainder iron) is coated or connected on both, sanded smooth on the underside, Flat sides is plated, is silver-plated with layer 3 and then with plate 6 by Hartfalls connected by alloy. Soldered on the top. Then the remaining the silicon wafer 2 is placed in the main parts of the encapsulation and put together Layer 5 consisting of gold, which is bound by.

legieren einer Gold-Antimon-Folie (etwa 0,5%> Sb) Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 1.alloying a gold-antimony foil (about 0.5%> Sb) FIG. 2 shows a structure similar to FIG. 1.

von etwa 14 mm Durchmesser und 0,05 mm Stärke 20 Die Grundlage bildet wieder das aus den Teilen 214 mm in diameter and 0.05 mm thick 20 The basis is again that of parts 2

in die obere Flachseite der Siliziumscheibe 2 ent- bis 6 bestehende Gleichrichterelement. Mit derrectifier element existing in the upper flat side of the silicon wafer 2 to 6. With the

standen ist. Zwischen dem Teil des Siliziums, der Trägerplatte 4 ist ein aus Kupferblech bestehendesis standing. Between the part of the silicon, the carrier plate 4, there is a sheet made of copper

durch Dotierung mit Antimon η-leitend geworden ist, Teil 21 verbunden, z. B. durch Hartlötung. Dieseshas become η-conductive by doping with antimony, part 21 connected, z. B. by brazing. This

und dem Teil des Siliziums, der durch den Einbau Teil 21 ist auf einem Kühlklotz 22 durch Umbörde-and the part of the silicon that is due to the installation part 21 on a cooling block 22 by flanging

von Bor-Atomen p-leitend geworden ist, befindet sich 25 lung befestigt. Durch das Bohrloch 23 kann der sohas become p-conductive by boron atoms, 25 lung is attached. Through the borehole 23 can so

der die Gleichrichterwirkung bedingende pn-Über- entstandene Hohlraum 24 mit einem Metall gefülltthe pn-over-created cavity 24, which causes the rectifier effect, is filled with a metal

gang. Die Oberseite der Schicht 5 ist ebenfalls von werden, das bei Raumtemperatur flüssig ist.corridor. The top of the layer 5 is also made of be which is liquid at room temperature.

einer etwa 0,5 mm starken und einen Durch- Das Oberteil des Gehäuses besteht aus den gleichenone about 0.5 mm thick and one through. The upper part of the housing consists of the same

messer von 12 mm aufweisenden Molybdänscheibe6 Teilen 11 bis 17 wie in Fig. 1 und kann in derknife of 12 mm having molybdenum disk 6 parts 11 to 17 as in Fig. 1 and can in the

bedeckt. 3° gleichen Weise befestigt und zusammengestellt sein.covered. 3 ° attached and assembled in the same way.

Die Kapsel umfaßt ein Gehäuseoberteil und ein Ge- Die Anordnung gemäß F i g. 2 weist durch die Zwihäuseunterteil; das letztere besteht im wesentlichen schenschaltung des Teiles 21, das auch balgförmig aus einem Kühlklotz 7, beispielsweise aus Kupfer, gestaltet sein kann, eine größere Sicherheit gegenüber der mit einem Gewindeschaft la versehen ist, mit Wärmedehnungen als die Anordnung gemäß Fig. 1 dem er auf einer Unterlage, z. B. einem Kühlblech, 35 auf. Auch bei dem Zusammenbau kann es von Vorbefestigt werden kann. Auf dem Boden dieses Ge- teil sein, wenn eine gewisse Nachgiebigkeit des häuseunterteils ist das Gleichrichterelement angeord- Teiles 21 zusätzlich zu der Flexibilität der Litze 16 net. Die Molybdänträgerplatte 4 ist mit ihrem Rand für den Ausgleich von Toleranzen sorgt,
auf den Kühlklotz 7 gelötet. Der größere Teil der In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die auf Trägerplatte bedeckt eine Öffnung 8, die durch ein 40 beiden Flachseiten des scheibenförmigen Halbleiter-Bohrloch 9 mit einem bei Raumtemperatur flüssigen körpers Trägerplatten und mit diesen verbundene Metall gefüllt worden ist. Hierfür eignet sich beson- Kühlkörper aufweist. Das Halbleiterelement besteht ders gut eine Metallegierung, die aus 22,7Vo Natrium wie in den Fig. 1 und 2 aus den Teilen 2 bis 6. und 77,3 "Vo Kalium besteht. Sie bleibt flüssig bis Beide Trägerplatten 4 und 6 sind mit je einem aus -12,5° C. Das Bohrloch 9 kann mit Hilfe einer ein- 45 Blech bestehenden Teil 31 bzw. 32 verbunden. Das gepreßten Kugel 10 verschlossen sein. Teil 31 ist auf einem Kühlklotz 33 beispielsweiseThe capsule comprises an upper housing part and a housing. The arrangement according to FIG. 2 has through the two housing lower part; the latter consists essentially of circuitry of the part 21, which can also be designed in the form of a bellows from a cooling block 7, for example made of copper, greater security than that provided with a threaded shaft la , with thermal expansions than the arrangement according to FIG. 1 on which it is located a document, e.g. B. a cooling plate, 35 on. It can also be pre-fastened during assembly. On the bottom of this part, if there is a certain flexibility of the lower part of the housing, the rectifier element is arranged. Part 21 in addition to the flexibility of the braid 16 net. The edge of the molybdenum carrier plate 4 compensates for tolerances,
soldered to the cooling block 7. In Fig. 3, an arrangement is shown, which covers an opening 8 on the carrier plate, which has been filled through a 40 two flat sides of the disk-shaped semiconductor borehole 9 with a body, which is liquid at room temperature, carrier plates and metal connected to them. A heat sink is particularly suitable for this. The semiconductor element consists of a metal alloy, which consists of 22.7 vol. Sodium as in FIGS. 1 and 2 from parts 2 to 6 and 77.3 vol. Potassium. It remains liquid until both carrier plates 4 and 6 are each with one from -12.5 ° C. The borehole 9 can be connected with the aid of a part 31 or 32 consisting of a sheet metal 45. The pressed ball 10 can be closed. Part 31 is on a cooling block 33, for example

Das Oberteil der Kapsel setzt sich aus verschiede- durch Lötung befestigt. Infolge der Wölbung desThe top of the capsule is made up of different parts - attached by soldering. Due to the curvature of the

nen Einzelteilen zusammen. Ein metallenes Gehäuse- Teiles 31 entsteht unter diesem ein Hohlraum, derindividual parts together. A metallic housing part 31 is created under this a cavity, the

teil 11, beispielsweise aus Kupfer, ist mit dem Kühl- vermittels einer Bohrung 34 durch den KühlkörperPart 11, for example made of copper, is with the coolant of a bore 34 through the heat sink

klotz 7 durch eine Umbördelung und mit einem 50 33 mit einem bei Raumtemperatur flüssigen MetallKlotz 7 through a flange and with a 50 33 with a metal that is liquid at room temperature

zylindrischen Keramikteil 12 durch Lötung verbun- gefüllt werden kann.cylindrical ceramic part 12 can be connected by soldering.

den. Das Keramikteil 12 kann an den entsprechenden Mit dem Teil 32 ist in gleicher Weise ein Kühl-Steilen metallisiert sein. Ein weiteres Metallteil 13 körper 35 verbunden, an den sich eine Stromzufühschließt sich an das Keramikteil 12 nach oben an rung 36 anschließt, die beispielsweise an den Kühl- und sorgt mit einem zentralen Metalkeil 14 für den 55 körper 35 angeschweißt sein kann. Ein Bohrloch 37 Abschluß der Kapselung. Die Teile 13 und 14 kön- dient wieder zur Füllung des Hohlraumes zwischen nen aus einem Stück gefertigt oder in geeigneter Kühlkörper 35 und Trägerplatte 32.
Weise, z. B. durch Schweißung, miteinander verbun- Zwischen den beiden Kühlkörpern 33 und 35, den sein. Nach außen schließt sich an das Zentralteil denen der Strom zu- bzw. von denen er abgeführt 14 ein geflochtener Leiter 15 an, der durch Ein- 60 wird, befindet sich ein zylindrisches Keramikteil 38. quetschung in eine napfartige öffnung des Zentral- Es schließt die Kapselung des Halbleiterelementes teils 14 mit diesem verbunden ist. Nach innen wird und isoliert die beiden Stromzuführungen gegeneindie Leitung durch eine geflochtene Litze 16 forgesetzt, ander. Mit Hilfe von metallenen Endteilen 39 und die mit dem einen Ende in eine napfartige Öffnung 40, die an den metallisierten Enden des Keramikdes Zentralteils 14 eingepreßt ist und deren anderes 65 zylinders 38 angebracht sind, kann der Zylinder an Ende mit einem Napf 17 durch Quetschung verbun- die Kühlkörper 33 und 35 angelötet werden, z. B. den ist. Dieser Napf 17 ist auf der Oberfläche der mit Hilfe eines Weichlots. Es ergibt sich somit ein Platte 6 befestigt. mit Bezug auf die Halbleiterscheibe 2 nahezu symme-the. The ceramic part 12 can be metallized on the corresponding parts. With the part 32, a cooling part is metallized in the same way. Another metal part 13 is connected to the body 35, to which a power supply is connected to the ceramic part 12 upwardly to tion 36, which can be welded to the cooling element and provides a central metal wedge 14 for the body 35, for example. A borehole 37 completes the encapsulation. The parts 13 and 14 can again be used to fill the cavity between nen made from one piece or in a suitable heat sink 35 and carrier plate 32.
Way, e.g. B. by welding, connected to each other between the two heat sinks 33 and 35 to be. On the outside, the central part to which the current is supplied or from which it is discharged is adjoined by a braided conductor 15, which is through 60, a cylindrical ceramic part 38 is located Encapsulation of the semiconductor element part 14 is connected to this. Inward and insulates the two power supply lines from each other, the line is continued by a braided strand 16, on the other. With the help of metal end parts 39 and one end into a cup-like opening 40 which is pressed into the metallized ends of the ceramic of the central part 14 and whose other cylinder 38 is attached, the cylinder can be connected at the end to a cup 17 by crimping - The heat sinks 33 and 35 are soldered, for. B. is. This cup 17 is on the surface of the with the help of a soft solder. There is thus a plate 6 attached. almost symmetrical with respect to the semiconductor wafer 2

irischer, sehr stabiler Aufbau der gesamten Anordnung. Irish, very stable structure of the entire arrangement.

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor arrangement with a disk-shaped, essentially single-crystal semiconductor body and at least one carrier plate made of molybdenum and connected to it over a large area or tungsten, as well as at least one for the removal and / or distribution of the in operation resulting heat serving body, characterized in that between the carrier plate and the body there is a closed and with a cavity filled with a metal that is liquid at room temperature.

2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the cavity with an alloy is filled, which consists of 22.7% sodium and 77.3% potassium.

3. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the edge of the respective Carrier plate with the associated body with the interposition of a bellows-shaped Device part is connected.

Considered publications:

German Auslegeschriften No. 1030 462, 15 1041600.

1 sheet of drawings