DE1464401A1

DE1464401A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1464401A1
Application number: DE19621464401
Authority: DE
Inventors: Weisshaar Dr Erich; Dieter Spickenreuther
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1962-03-30
Filing date: 1962-04-18
Publication date: 1969-09-11
Also published as: US3457474A; DE1953678U; GB1011171A; CH396220A

Description

AktiengGsellschaft Brown, Boveri 4 CIe., Baden (Schweiz) g Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der das Halbleiterelement beidseitig an den Halbleiterkörper gelötete Trägerplatten aufweist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers 1st und die grossflächig mit ebenen Flächen von Metallkörpern mit einem beliebigen, insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind.

Zur Zuführung des Stromes und vor allem zur Ableitung der im Halbleiterkörper entstehenden Verlustwärme muss das Halbleiterelement in gutem elektrischem und thermischem Kontakt mit Metallkörpern stehen wie beispielsweise einem Qehäuseboden und einem Stromzuführungsbolzen oder einer StrorazufUhrungslitze. Die Verbindung des Halbleitorelomen-909837/0307 "»"««*»· -a-

57/62 - 2 -

tea mit diesen Teilen wird in bekannter Weise durch Lote hergestellt. Aussor einer guten Kontaktgabe haben die Lote noch andere, teilweise widersprechende Bedingungen zu erfüllen. Oa jede grosse mechanische Beanspruchung des Halbleiterkörpers ausgeschlossen werden sollte, erscheint die Anwendung von weichen« duktilen Loten vorteilhaft, Insbesondere in Verbindung mit einer an den Halbleiterkörper angelöteten Trägerplatte, deren thermischer Ausdehnungs-

koefflzlent angenähert gleich denjenigen des Halbleiterttrpers ist, also zum Beispiel 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

J nun in der Lötverbindung infolge plastischen Fliessens und Rekristallisationsvorgängen Ermüdungserscheinungen, die zur Auftrennung der Lötverbindung und damit zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sind bereits zahlreiche Vorschläge gemacht worden. Insbesondere 1st es bekannt. Trägerplatte und Metallkörper durch eine Hartlotschicht zu verbinden, welch· durch die entstehenden Inneren Spannungen nloht dauernd verformt wird. Damit diese inneren

909837/0307 _BAD ORIGINAL -*'

H644Q1

57/62 - 5 -

Spannungen In den Metallkörper verlegt sind« muss die Trägerplatte eine beträchtliche Dicke aufweisen. Dadurch verschlechtert sich aber der Wärmeübergang vom Halbleiterelement auf den der Wärmeabfuhr dienenden Metallkörper. Vor allem aber ist nachteilig, dass die zur Vornahme der Hartlötung notwendigen hohen Temperaturen sich schädlich auf die Sperrfähigkeit der Halbleitereleoente auswirken, sei e3 durch Verdampfen von Lot- oder Gehäusematerialien, oder durch Diffusion von Metallkörpern wie z.B. Kupfer in den Kalbleiter oder auch durch Veränderungen des Oberflächenzustandes des Halbleiterelementes selbst.

Die Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung, bei eier das Halbleiterelement ebenfalls beidseitig an den Halbleiterkörper gelötete Trägerplatten aufweist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleich demjenigen des Halbleiterkörpers 1st und die grossflächig mit ebenen Plächen von Metallkörpern mit einem beliebigen, insbesondere verschiedenem thermischen Ausdehnungskoeffizient verbunden sind, 1st gekennzeichnet durch mindestens eine, die Trägerplatten auf die Flächen der Metallkörper pressende Schraubverbindung.

Es Job ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung bekannt geworden, bei dem ein Halbleiterkörper rait Elektrodenplatten versehen wird, die ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkör-909837/0307 BAD oriunal - ■■ -

57/62 - * - H64A01

per haben, bei dem ferner die Elektrodenplatten mit hart angelöteten Auflagen versehen werden, die den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie das metallische Bauteil, mit welohem das Halbleiterelement zu verbinden 1st und das einen an» deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Halbleiterkörper hat, und bei dem die Auflage mit einem Gewinde versehen wird und mit einem entsprechenden Gegengewinde des metallischen Bauteils verschraubt wird. Durch dieses Verfahren werden demnach Teile verschraubt, die den gleichen thermischen Ausdeh-" nungskoeffizienten haben, wogegen die Teile mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in bekannter Weise durch eine Hartlötstelle verbunden sind, welche die inneren Spannungen aufnehmen muss.

Es ist ferner ein Flächengleichrichter bekannt, bei welchem die Elektrode und der die Verlustwärme abführende Körper lediglich unter Druck aneinander liegen, und bei welchem der für die Wärmeabfuhr bestimmte Körper an der Fläche, mit welcher er sich " gegen die Elektrode legt, mit einem durch Lötung oder Schweissung angebrachten Ueberzug aus einem schmiegsamen metallischen Werkstoff versehen ist.

Zm Gegensatz hierzu sind bei der Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung diejenigen Teile, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen nur durch mindestens eine Schraubverbindung aneinandergepresst. Mangels einer Lotschicht können deshalb in der gemeinsamen Verbindungsfläche keine

909837/0307 "5 -

BAD ORIGINAL

H64401 57/62 - 5 -

Ermüdungserscheinungen auftreten. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass trotz Fehlens einer weichen, schmiegsamen Verbindungssohioht der elektrische und thermische Uebergang ausgezeichnet ist und den bekannten Lötverbindungen nicht unterlegen ist. Zudem wird eine hohe mechanische Festigkeit erreicht und jede Gefahr der Verschlechterung des aktiven Halbleiterelementes durch hohe Löttemperaturen vermieden. Ein weiterer Vorteil der Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung ist die leichte Auswechselbarkeit des aktiven Halbleitorelementee.

Schlleßslich kann für die Metallkörper nicht nur in bekannter Weise Kupfer verwendet werden, sondern insbesondere auch Aluminium, da die schlechte Lötbarkeit von Aluminium nicht mehr von Bedeutung ist.

Die Erfindung soll anhand der Fig. 1 bis 5, in welchen AusfUhrungsbeispiele dargestellt sind, noch weiter erläutert werden.

In Fig. 1 ist die Erfindung am Beispiel eines Halbleiter-Gleich- , riehters gezeigt. An dem mit einem p-n-Uebergang versehenen Halbleiterkörper 1 aus Silizium sind beidseitig die Trägerplatten 2 und 3 aus Molybdän oder Wolfram angelötet. Diese Trägerplatten sind mit einem Gewindebolzen 4 bzw. 5 versehen. Der Oe-

co windebolzen 4 ist in den Gehäuseboden 6 und der Gewindebolzen

^ in den Anschlussbolzen 7 eingeschraubt. Die Anordnung wird ver- -j vollständigt duroh eine Deckplatte 8, welche mit der in einem

Ring 9 gefassten StromzufUhrungslitze 10 verlötet ist und wel-

-o ehe durch einen distanzierenden und isolierenden Ring 11 aus

beispielsweise einem keramischen Werkstoff mit dem Gehäuseboden BAD ORIGINAL . - 6 -

U6U01

57/62 - 6 -

verbunden lat. Der Keramikring 11 kann mit der Deckplatte 8 und dem Gehäuseboden 6 durch eine Metall-Keramik-Verbindung verlötet sein. Die genannten Metallkörper Gehäuseboden 6, Deckplatte 8, Anschlussbolzen 7 und Stromzuführuhgslitze bestehen zweckmässigerwelse aus Kupfer. Die Gewindebolzen 4 und 5 können aus demselben Material wie die Trägerplatten 2 und 3 bestehen und zusammen mit den Trägerplatten als einheitlicher Sinterkörper hergestellt sein.

Zwischen die Flächen der Trägerplatten und die angrenzenden Flächen des Gehäusebodens bzw. des Anschlussbolzens können die Scheiben 12 und \J>, z. B. in der Form von Goldfolien gelegt sein, die eine glcichmäsolge Verteilung de3 Druckes gewährleisten. Bs hat sich aber gezeigt, dass solche Scheiben zur Gewährleistung eines guton elektrischen und thermischen Uebergonßos nicht erforderlich sind, wenn die Flächen der Trägerplatten und der angrenzenden Metallkörper hinreichend plan sind.

In Flg. 2 sind zwei weitere Möglichkeiten zur Befestigung der Gewindebolzen an den Trägerplatten gezeigt, wobei die Gewindebolzen aus einem anderen Material als dasjenige der Trägerplatten bestehen können, beispielsweise aus Nickel oder Silber.

In Flg. 2a ist der mit einem konisohen Kopf versehene Gewindebolzen 4 in einer Vertiefung der Trägerplatte 2 hart eingelötet. In Fig. 2b 1st die Trägerplatte aus zwei Teilen 2* und 2"

909837/0307 - 7 -

©AD ORIGINAL

57/62 - 7 -

aufgebaut. Im oberen Teil 2* Ist eine Vertiefung vorgesehen, in welcher der Kopf des Gewindebolzens 4 liegt. Die beiden Teile 2* und 2" werden zusammen mit dem Kopf des Gewindebolzens durch ein geeignetes Hartlot verlötet.

Um zu verhindern, dass im Laufe der Zeit eine Lockerung der Schraubverbindungen erfolgt,.können die Gewindebolzen 4 und vor dem Einschrauben verzinnt und nach dem Einschrauben mit dem Gehäuseboden und dom Ancchluaobolzen verlötet werden. Auch * sind andere bekannte Sichcruncevorrichtungen für Schraubverbindungen anwendbar.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausftthrungsbeispicl der Halbleiteranordnung gemäos der Erfindung gezoigt. In dieocr Anordnung Bind an den Halbleiterkörper 1 ebenfalls beidseitig die Trägerplatten 2 und 3 angelötet. Die obere Trägerplatte 3 1st wiederum mit einem Gewindebolzen 5 versehen, der in den Anschlussbolzen 7 der StromzufUhrungslitzc 10 eingelotet 1st. Die ' Litze 10 1st mittels des Ringes 9 in die Deckplatte 8 eingelötet, die durch den keramischen Ring 11 gegenüber dem Gehäuseboden 6 distanziert 1st. Die untere Trägerplatte 2 1st durch einen auf ihrem über den Halbleiterkörper 1 hinausragenden Rand liegenden Ring 14 mittels der Sehrauben 15, deren Anzahl mindesten« 3 betragen soll, auf den Gehäuseboden 6 gepresste Zur glelchmässigen Verteilung des Druckes können als Zwisehonlaßen die Scheiben 12 und 13 vorgesehen werden.

909837/030¹BADORiGZNAL

U6U01

57/62. - 8 -

In der in Pig. 4 gezeigten Ausführung ist das aus dem Halbleiterkörper 1 und den beiden angelöteten Trägerplatten 2 und 3 bestehende Halbleiterelement durch eine auf der oberen Trägerplatte 2 liegende elastische Deckplatte 16 auf den mit der unteren Trägerplatte 2 in Berührung stehenden Gehäuseboden 6 mittels mindestens drei Schrauben 17 gepresst. Zur Vermeidung einer Zugbeanspruchung des zur Isolation und Distanzierung vor-

gesehenen Keramikringes 18 sind die Deckplatte 16, der Keramikring 18 und der Qehäuseboden 6 durch die mit den Isolierstükken 19 umgebenen Schrauben 17 zusaramengeltiLten. Die Ringe 20 und 21 dienen der gleichmässigen Druckverteilung auf den Isolierstücken, wie auch nötigenfalls zwischen die Trägerplatten und die Metallkörper die Scheiben 12 und 15 gelegt sein können· Die Stromzuführung erfolgt über die Litze 10 und den Anschlussbolzen 1, welcher mit der der Trägerplatte 3 abgewendeten Seite der Deckplatte 16 zweckmässigerweise durch Hartlötung verbunden ist. Da die obere Trägerplatte 3 keine mechanischen Kräfte aufnehmen muss und auoh nicht mit einem Oewindebolzen versehen ist« kann sie wesentlich dünner als die untere Trägerplatte 2 sein. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sehr kompakte Halbleiteranordnung.

Xn Fig. 5 ist schliesGlich ein AusfUhrungsbeisplel gezeigt, bei welchem eine Schraube isoliert in den einen Metallkörper aufliegt, isoliert durch eine in der Mitte des Halbleiterelements liegende Bohrung geführt 1st und in den anderen Metallkörper eingeschraubt ist. Diese Halbleiteranordnung umfasst einmal

909837/0307 " ⁹ "

BAD ORSGlNAL

U6U01

57/62 - 9 -

ale unteren Tell don Gehäuseboden 6 aus Kupfer, der mit einen Gewindebolzen zum Einschrauben in einen Kühlkörper versehen ist, und den im wesentlichen zylindrischen Hartglasteil 22, der mit dem Gehäuseteil 6 durch Glas-Metall-Verschmelzungen verbunden ist. Der obere Teil der Halbleiteranordnung setzt sich in weiteren aus einem oberen Stroinansohlussbolzen 2j5 aus Kupfer, einem biegsamen Teil 24 aus Kupferlitze und einem unteren Ansohlussbolzen 25 ebenfalls aus Kupfer zusammen. In den oberen Anschlussbolzen 23 ist ein zylindrischer Pumpstengel 26 eingelötet. Ferner sind an den oberen Anschlussbolzen 25 die Hartglasteile 27 und 28 durch Glas-Metall-Verschmelzungen und Glas-Glas-Verschmelzungen angebracht. Sowohl der Litzenteil 24 wie auoh der untere Ansohlussbolzen 25 weisen eine konzentrische Bohrung auf, die sich im unteren Anschlussbolzen unter Bildung eines Absatzes verengt. Der obere und untere Teil der Halbleiteranordnung sind durch dieKbvar-Hartglasverschmelzung 29 verbunden.

Auf dem Oehäuseboden 6 liegt das sich aus dem Halbleiterkörper aus Silizium und den beidseitig angelöteten Trägerplatten 2 und 3 aus Molybdän oder Wolfram zusammensetzende Halbleiterelement. Das Halbleiterelement weist ebenfalls eine konzentrische Bohrung auf. Im GehXuseboden 6 1st ein in der gleichen Achse liegendes Gewindeloch gebohrt. Die Bohrung im unteren Anschlussbolzen 25 und im Halbleiterelement ist durch eine Hülse JO aus Isoliermaterial wie beispielsweise Keramik ausgekleidet. Durch

- 10 BAD ORIGINAL

909 837/0307

die in den Gehäuseboden geschraubte Schraube Jl i*t der untere AneohlussbQleen 25 Wf die Trägerplatte 3 un4 die un-r jfcert Trägerplatte 2 *uf den Gehlfaseboden 6 gepre**t. Durch die Scheibe J2 wie auch durch die Scheiben 12 und 13 wird eine gleichmÄsaige Druckverteilung gewlthrleietet.

Der Zusammenbau der in Pig» 5 gezeigten Halbleiteranordnung erfolgt in der folgenden Reihenfolge: An den GehMuseboden 6 werden die Hartglasteile 22, £7 und 28 angebracht. Der Halbleiterkörper 1 jnlt den angelöteten Trägerplatten 2 und 3 wird auf den Gehäuseboden'6 gelegt. Gegebenenfalls unter Beilage der Scheiben 12 und IJ, Der aus dem Stroraanschlussbolzen 2jJ, mit dem Pumpstengel 26, der Litze 24, dem unteren AnschlussbojL^en 25 un^ 4er Isolierhülse 30 «usammengesetxte obere Teil wird aufgesetzt und mit dem Halbleiterelement und dem Gehäuseboden mittels der Schraube 31 vereohraubt. In einem Lötprof zess wird der obere Anschlussbolxen 23 mit dem Hartglasteil verbunden. Nach einem Ausheizproaess wird schllessllch der Fumpstengel 26 abgequetscht.

Durch Kombination der beschriebenen Ausftyhrungsbeisplele lassen sich noch weitere Halbleiteranordnungen gemüse der Erfindung verwirklichen. Die Erfindung beschrankt sich niqht auf die beschriebenen Beispiele von Halbleiter-Flächengleichriohtern, sondern 1Η«βΛ eich ebenfalls bei anderen Halbleiteranordnungen wie Leistungstransistoren und «teuerbaren HaIbleitergleichriohtera in gleich verteiilhtftfer Welee anwenden.

9 0 9.8 3 7 / 0 3 0 7 · BAD ORIGINAL „ _n ..

Claims

57/62 D -11- " H6AA01 Patentansprüche

1) Halbleiteranordnung« bei der das Halbleiterelement beidseitig an den Halbleiterkörper gelötete Trägerplatten aufweist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mindestens angenähert gleioh demjenigen des Hallfei terkörpcrs 1st und die grossflÄchig mit ebenen Fläohen von Metallkörpern mit einem beliebigen. Insbesondere verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind, gekennzeichnet durch mindestens eine die TrSgerplatten auf die Flächen der Metallkörper pressende Schraubverbindung.

2) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, daduroh Gekennzeichnet, dass die Trägerplatten einen in dlo Metallkörper geschraubten Gewindebolzen aufweisen«

3) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerplatte durch einen auf ihrem Über den Halbleiterkörper hinausragenden Rand liegenden und duroh mindestens drei Schrauben mit dem Metallkörper verbundenen Ring auf den Metallkörper gepresst 1st.

4) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement duroh eine auf der einen Trägerplatte liegende elastische Deckplatte auf den einen, mit der anderen Trägerplatte in Berührung stehenden Metallkörper duroh mindestens drei, die Deckplatte und diesen Metallkörper verbin«· dende Schrauben gepresst ist, wobei der andere Netallkörper mit

BAD ORIGfNAL - 12 -

909837/0307

57/62 D - 12 -

der der Trägerplatte abgewendeten Seite der Deckplatte durch Hartlötung verbunden 1st.

5) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraube isoliert in dem einen Metallkörper aufliegt, isoliert durch eine in der Mitte des Halbleiterelemcntes liegende Bohrung geführt ist und in den anderen Metallkörper eingeschraubt 1st.

•6) Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metallkörper aus Aluminium besteht.

7) Halbleiteranordnung nach einem Jer Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerplatten und den Flächen der Metallkörper durckvertellende Scheiben angeordnet sind.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI ft CIE.

909837/0307

BAD ORIGINAL