DE1205625B - Halbleiteranordnung mit allseitig geschlossenem Gehaeuse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1 205 625

Aktenzeichen: A 39992 VIII c/21 g

Anmeldetag: 18. April 1962

Auslegetag: 25. November 1965

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit allseitig geschlossenem Gehäuse, bei welcher das im wesentlichen einen einkristallinen Halbleiterkörper aufweisende Halbleiterelement einseitig in einer Vertiefung eines Anschlußteiles des Gehäuses liegt und beidseitig durch eine dünne Metallschicht mit den ebenen Metallflächen von Anschlußteilen des Gehäuses elektrisch verbunden ist und bei welcher Gehäuseteile eine geringe Druckkraft auf das Halbleiterelement ausüben.

Zur Zuführung des Stromes und vor allem zur Ableitung der im Halbleiterkörper entstehenden Verlustwärme muß das Halbleiterelement in gutem elektrischem und thermischem Kontakt mit Anschlußteilen des Gehäuses stehen wie beispielsweise einem Gehäuseboden und einem Stromzuführungsbolzen oder einer Stromzuführungslitze. Die Verbindung des Halbleiterelementes mit diesen Teilen wird bekanntlich durch Lote hergestellt. Außer einer guten Kontaktgabe haben die Lote noch andere, teilweise _ao widersprechende Bedingungen zu erfüllen. Da jede große mechanische Beanspruchung des Halbleiterkörpers ausgeschlossen werden sollte, erscheint die Anwendung von weichen, duktilen Loten zweckmäßig, insbesondere in Verbindung mit einer an den Halbleiterkörper angelöteten Trägerplatte, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers ist, also z. B. mit einer aus Molybdän oder Wolfram bestehenden Trägerplatte, wenn ein Halbleiterkörper aus Silizium vorliegt. Bei einer solchen Anordnung werden die infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerplatte und des mit ihr verbundenen Metallkörpers entstehenden Kräfte von der zwischen beiden liegenden Weichlotschicht aufgenommen. Bei wechselnder thermischer Beanspruchung der Anordnung zeigen sich nun in der Lötverbindung infolge plastischen Fließens und Rekristallisationsvorgängen Ermüdungserscheinungen, die zur Auftrennung der Lötverbindung und zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden. Insbesondere ist es bekannt, Trägerplatte und Anschlußteile des Gehäuses durch eine Hartlotschicht zu verbinden, welche durch die entstehenden inneren Spannungen nicht dauernd verformt wird. Damit diese inneren Spannungen in die Anschlußteile verlegt sind, muß die Trägerplatte eine beträchtliche Dicke aufweisen. Dadurch verschlechtert sich aber der Wärmeübergang vom Halbleiterelement auf das der Wärmeabfuhr dienende Anschlußteil. Vor allem aber ist nach-Halbleiteranordnung mit allseitig geschlossenem
Gehäuse

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.,

Baden (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Dr. Erich Weisshaar,

Dieter Spickenreuther, Baden;

Franz Brischnik, Neuenhof (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 30. März 1962 (3927)

teilig, daß die zur Vornahme der Hartlötung notwendigen hohen Temperaturen sich schädlich auf die Sperrfähigkeit des Halbleiterelementes auswirken, sei es durch Verdampfung von Lot- und Gehäusematerialien oder durch Diffusion des Metalls des Gehäuses, wie beispielsweise Kupfer, in den Halbleiter oder auch durch Veränderungen des Oberflächenzustandes des Halbleiterelementes selbst.

Bei der eingangs angegebenen Halbleiteranordnung mit allseitig geschlossenem Gehäuse, bei welcher das im wesentlichen einen einkristallinen Halbleiterkörper aufweisende Halbleiterelement einseitig in einer Vertiefung eines Anschlußteiles des Gehäuses liegt und beidseitig durch eine dünne Metallschicht mit den ebenen Metallflächen von Anschlußteilen des Gehäuses elektrisch verbunden ist und bei welcher Gehäuseteile eine geringe Druckkraft auf das Halbleiterelement ausüben, besteht die Erfindung darin, daß die Metallschicht bei der vorgesehenen Betriebstemperatur flüssig ist.

Es sind zwar bereits Anordnungen elektrischer Trockengleichrichter mit einem Gleichrichterelement bekannt, bei welchen der elektrische Kontakt mit der Gleichrichterschicht durch einen elektrisch metallisch leitenden, flüssigen Stoff, wie Quecksilber, bewirkt wird. Hierbei handelt es sich um zylindrische bzw.

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rohrförmige Gleichrichterschichten, die in den leiten- äußeren Seite des Gehäusedeckels ist die Stromzu-

den flüssigen Stoff getaucht sind, wobei der flüssige führungslitze 8 über ein sie fassendes Kupferstück 7

Stoff in einem Behälter enthalten ist. Diesen be- durch Hartlötung verbunden. In bekannter Weise

kannten Anordnungen gegenüber weist die Anord- wird der Strom über den Gehäuseboden 4 weggeführt,

nung der Erfindung den Vorteil auf, daß die flüssige 5 Erfindungsgemäß ist das Halbleiterelement mit

Metallschicht eben ist, ferner daß die flüssige Metall- den ebenen Metallflächen von Anschlußteilen des

schicht dünn ist, so daß ein schlechter Wärmeüber- Gehäuses, die in F i g. 1 durch den Gehäuseboden 4

gang vermieden ist und nur eine geringe Menge flüs- und den Anschlußbolzen 5 gebildet sind, durch eine

sigen Metalls benötigt wird, und daß schließlich ein dünne Metallschicht elektrisch verbunden, die bei

besonderer Behälter für das flüssige Metall nicht 10 der vorgesehenen Betriebstemperatur flüssig ist. Die

benötigt wird. Metallschichten sind mit 10 und 11 bezeichnet und

Die Verbindung des Halbleiterelementes mit den liegen zwischen der Trägerplatte 2 und dem Geanliegenden Anschlußteilen durch die flüssige Metall- häuseboden4 bzw. zwischen der Deckelelektrode 3 schicht gewährleistet einen sehr guten elektrischen und dem Anschlußbolzen 5.

und thermischen Übergang. Ermüdungserscheinungen 15 Es kommen diejenigen Metalle und Legierungen in der Metallschicht sind gänzlich ausgeschlossen, in Frage, die bei einer mittleren Betriebstempe- und ebenso ist eine mechanische Beanspruchung des ratur von etwa 30 bis 130° C flüssig sind. Als Bei-Halbleiterkörpers infolge der unterschiedlichen ther- spiel sei Gallium genannt, das bei etwa 29,8° C mischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiter- schmilzt. Auch Quecksilber hat sich als geeignetes körpers und des Anschlußteils des Gehäuses verun- 20 Metall im Sinne der Erfindung erwiesen,
möglicht. Bei extrem niederen Außentemperaturen Für Halbleiteranordnungen, die nur kleinen Be- und kleiner elektrischer Belastung des Halbleiter- schleunigungen ausgesetzt sind, genügen zur Verhinelementes kann das Metall erstarren und eine feste derung des Ausfließens der flüssigen Metallschicht Lötverbindung bilden. Dies ist aber keineswegs nach- die Kapillarkräfte und die Oberflächenspannungen teilig wie bei den bekannten Weichlotverbindungen. ₂₅ allein. In Halbleiteranordnungen, die hohen Be-Bei geringer Belastung treten keine oder nur sehr schleunigungen ausgesetzt sind, wie etwa in Halbgeringe mechanische Kräfte auf. Bei höherer BeIa- leitergleichrichtern in Fahrzeugen, die erhebliche stung steigt die Temperatur des Halbleiterelementes, Rüttelbewegungen ausführen, ist es vorteilhaft, den so daß das Metall aufschmilzt und so den elektrisch, Außenrand der Metallschicht durch einen Schutzlack thermisch und mechanisch einwandfreien Übergang 30 abzudecken. In Fig. 1 ist die Metallschicht 10 durch wiederherstellt. eine Lackschicht 12 abgedeckt. Es ist zweckmäßig,

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher als Lack einen zur Herstellung von Halbleiteranord-

erläutert werden. nungen bekannten Silikonlack zu verwenden, der

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Halb- ohne nachteiligen Einfluß auf das Halbleiterele-

leiteranordnung gemäß der Erfindung; in 35 ment ist.

F i g. 2 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausfüh- Es kann auch vorteilhaft sein, die flüssige Metall-

rungsbeispiels gezeigt. schicht durch einen Dichtungsring zu begrenzen. In

In F i g. 1, die als Beispiel einen Halbleiterflächen- F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel an einem Ausgleichrichter darstellt, setzt sich das Halbleiter- schnitt einer Halbleiteranordnung gezeigt. Mit 1 ist element aus dem einen pn-übergang aufweisenden 40 wieder der Halbleiterkörper bezeichnet und mit 3 Halbleiterkörper 1 aus Silizium, einer mit einem die auf ihm angebrachte Deckelektrode. Mit 5 ist geeigneten Lot angelöteten Trägerplatte 2 aus Molyb- der Anschlußbolzen bezeichnet, welcher auf der der dän und einer Deckelelektrode 3 aus Gold zusam- Deckelektrode zugewandten Seite eine kreisförmige men. Die Dicken dieser Teile sind hierbei zur Ver- Rille mit V-Querschnitt aufweist. In diese Rille ist deutlichung übertrieben dargestellt. Die Träger- 45 ein Dichtungsring 13 gelegt, der leicht gegen die platte 2 liegt in einer Vertiefung des Anschlußteiles 4, Deckelektrode 3 gepreßt ist und das flüssige Metall das den Gehäuseboden bildet und das mit einem 11 begrenzt. Ein geeigneter Dichtungsring ist bei-Gewindestutzen zum Einschrauben in einen Kühl- spielsweise aus Silikonkautschuk hergestellt. Es ist körper versehen ist. Dieser Anschlußteil ist zweck- aber auch möglich, einen aus Blei gefertigten Dichmäßigerweise aus Kupfer gefertigt. Der durch die 50 tungsring zu verwenden.

Vertiefung gebildete Rand hält die Trägerplatte2 Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist der fest, gegebenenfalls durch eine Umbördelung des Halbleiterkörper 1 in bekannter Weise mit einer anRandes über die Trägerplatte. gelöteten Trägerplatte 2 versehen, deren thermischer

Die andere Seite des Halbleiterkörpers liegt mit Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich der Deckelektrode 3 an dem Anschlußbolzen 5. 55 demjenigen des Halbleiterkörpers ist. Diese Träger-Dieser Bolzen ist seinerseits an den mit einer kegel- platte ist aber für eine Halbleiteranordnung gemäß stumpfförmigen Einbuchtung versehenen Gehäuse- der Erfindung nicht unbedingt erforderlich, da zudeckel6 hart angelötet. Bolzen wie Gehäusedeckel folge der Verbindung des Halbleiterkörpers mit einem bestehen zweckmäßigerweise ebenfalls aus Kupfer. Anschlußteil des Gehäuses durch eine flüssige Me-Zur Distanzierung des Gehäusedeckels und zur Her- 60 tallschicht bei Temperaturwechsel keine mechastellung eines gasdichten Gehäuses liegt zwischen nischen Spannungen im Halbleiterkörper auftreten dem Gehäusedeckel 6 und dem Gehäuseboden 4 ein können. Es kann aber vorteilhaft sein, eine solche zylindrischer keramischer Ring 9, der mit beiden Trägerplatte vorzusehen, da durch sie die mecha-Teilen durch eine Metall-Keramik-Verbindung ver- nische Festigkeit des spröden Halbleiterkörpers erlötet ist. Die Höhe des Ringes 9 ist hierbei so ge- 65 höht wird und die Gefahr einer Beschädigung wähwählt, daß durch den Gehäusedeckel 6 und damit rend der Herstellungsvorgänge verringert wird,
den Anschlußbolzen 5 auf das Halbleiterelement ein Wenn die Möglichkeit besteht, daß sich die flüsgeringer federnder Druck ausgeübt wird. Mit der sige Metallschicht bei höheren Temperaturen infolge

Bildung von höherschmelzenden Legierungen oder Verbindungen mit dem Material der angrenzenden Rächen verfestigt, so ist es vorteilhaft, die flüssige Metallschicht zwischen Materialien anzubringen, die mit diesem nicht reagieren bzw. die Flächen mit einem solchen Material zu bedecken. Als Beispiel sei angeführt, daß es zweckmäßig ist, die aus Gold bestehende Deckelektrode ebenfalls mit einer Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram zu versehen und auch auf die an beide Trägerplatten des Halbleiterelmentes angrenzenden Flächen der Anschlußteile wie des Kupfergehäusebodens und des Kupferanschlußbolzens eine Auflage aus Molybdän oder Wolfram aufzubringen, so daß die flüssige Metallschicht zwischen zwei Molybdän- oder Wolframflächen liegt, mit welchen das Metall keine Legierung oder Verbindung bildet. Derartige Auflagen können mit den Kupfermetallkörpern beispielsweise hart verlötet werden. Da die Auflagen keine mechanische Funktionen wie die Aufnahme mechanischer Kräfte auszuüben haben, können sie sehr dünn sein und deshalb auch auf andere Art wie durch Aufdampfen aufgebracht sein.

Die Verbindung durch eine Metallschicht gemäß der Erfindung wurde am Beispiel eines Halbleiterflächengleichrichters beschrieben. Mit gleichem Vorteil ist eine Anwendung auch für andere Halbleiteranordnungen mit großflächigen Elektroden wie Leistungstransistoren oder steuerbare Halbleitergleichrichter möglich.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit allseitig geschlossenem Gehäuse, bei welcher das im wesentlichen einen einkristallinen Halbleiterkörper aufweisende Halbleiterelement einseitig in einer Vertiefung eines Anschlußteiles des Gehäuses liegt und beidseitig durch eine dünne Metallschicht mit den ebenen Metallflächen von Anschlußteilen des Gehäuses elektrisch verbunden ist und bei welcher Gehäuseteile eine geringe Druckkraft auf das Halbleiterelement ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht bei der vorgesehenen Betriebstemperatur flüssig ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Gallium besteht.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand der Metallschicht durch einen Schutzlack abgedeckt ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flächen des Halbleiterelementes und den Anschlußteilen Dichtungsringe angeordnet sind.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mindestens auf der einen Seite mit einer an den Halbleiterkörper angelöteten Trägerplatte versehen ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, bei welcher das Halbleiterelement auf beiden Seiten mit einer Trägerplatte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf die den Trägerplatten zugewandten Flächen der Metallkörper Auflagen aufgebracht sind, die mit dem flüssigen Metall keine Legierung oder Verbindung bilden.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagen aus Molybdän bestehen.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagen aus Wolfram bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 510598;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1018 557.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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