DE1961077A1

DE1961077A1 - Halbleiterbauelement mit Stossdaempfungs- und Passivierungs-Schichten

Info

Publication number: DE1961077A1
Application number: DE19691961077
Authority: DE
Inventors: Peter Felock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-09
Filing date: 1969-12-05
Publication date: 1970-06-18
Also published as: FR2025717A1; GB1292636A; DE1961314A1; FR2025720A1; FR2025719A1; BE742698A; US3601667A; BE742701A; US3559002A; BE742699A

Description

Patentanwälte

Dr.-mg. Wilhelm Eeisliel
Dipl-Ing. Y-C^--C -J V-^hel
6 Fier-·- la. M. 1
iicij3 13

6117 GEilEßAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, New York, V.St.A.

Halbleiterbauelement mit Stoßdärapfungs- und Passivierungs- A

Schichten

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente, deren pn-Übergänge aufweisende Halbleiterkörper in einem Gehäuse untergebracht sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf starke, billige Transistoren, Thyristoren und Gleichrichter.

Es sind Halbleiterbauelemente bekannt, deren Halbleiterkörper auf einer metallischen Grundplatte befestigt ist, die miröestens teilweise als elektrische Verbindung bzw. als äußere Anschluß-klemme für eine der wichtigen Hauptzonen wie beispielsweise \ des Emitters, der Basis oder des Kollektors eines Transistors dient. Mit den anderen Zonen des Halbleiterkörpers sind andere elektrische Kontakte wie beispielsweise Drähte oder dergleichen verbunden, die ihrerseits mit den äußeren Anschlußklemmen- des Halbleiterbauelementes verbunden oder auch selbst als Anschlußklemmen ausgebildet sein können. Wenn es sich um Transistoren handelt, dann ist das gesamte Halbleiterbauelement einschließlich des Halbleiterkörpers und eines Teils der elektrischen' Kontakte oder Anschlußklemmen in ein geeignetes elektrisches Isoliermaterial wie beispielsweise ein' Epoxy-, Siliconoder Phenolharz eingekapselt oder eingebettet, wobei die äußer-en

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Anschlußklemmen durch das Kapse!material nach außen ragen. Die äußeren Anschlußklemmen können sich zusätzlich durch ein Zopfstück aus elektrisch isolierendem Material, z.3. einem Phenolharz, erstrecken, wobei das Kopfstück dazu dient, die einzelnen Anschlußklemmen zu haltern, zu beabstanden und zu orientieren. Das Kapselmaterial bildet in derartigen Fällen vorzugsweise ein mit diesem Kopfstück zu einem Teil verbundenes Gehäuse.

Bei Halbleiterbauelementen, deren Gehäuse' direkt auf den Kalbleiterkörper,, die metallischen Stützglieder und die Anschlußleitungen aufgeformt ist, ist der Halbleiterkörper nicht ausreichend gegen chemische Verunreinigungen, Thermoschocks und mechanische Stöße gesichtert. Halbleiterbauelenente weisen in den meisten Fällen einen dünnen, zerbrechlichen Halbleiterkörper aus Silicium, Germanium und dergleichen auf. 3er Halbleiterkörper eines Thyristors beispielsweise besitzt eine Größe in der Größenordnung von einem Zehntel Mlimeter. Aus diesem Grunde kann der Halbleiterkörper zerbrechen, wenn mechanische Stöße durch die leitende Metallstützplatte oder durch das starre Gehäuse übertragen werden. Wenn der Halbleiterkörper direkt an einer metallischen Grundplatte befestigt ist, dann kann er auch auf Grund von thermischen Spannungen zerbrechen.

Halbleiterbauelemente sind außerdem besonders empfindlich gegenüber chemischen Verunreinigungen, und zwar insbesondere an denjenigen Stellen, wo ihre Übergänge an den äußeren Sand des Halbleiterkörpers treten. Die aufgeformten Gehäuse sind nicht ausreichend undurchlässig gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, um die an den Rand tretenden Übergänge vor Verunreinigungen zu schützen. Weiterhin werden bei vielen Halbleiterbaueleraenten an den Übergängen außerordnetlich hohe Feldstärken entwickelt, denen die üblicherweise für das Gehäuse verwendeten Materialien nicht standhalten können. In manchen Fällen führt auch die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der metallischen Grundplatte.und .dem Gehäusepreßkörper zu einer Rißlinie

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zwischen beiden, so daß Flüssigkeiten und Gase direkt zum Halbleiterkörper gelangen können. Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, Materialien wie Silikonkautschuk, Erdoxide wie Feldspat, Bentonit usw. als Zwischenschicht zwischen dem Halbleiterkörper und dem Gehäuse zu verwenden, doch gibt es trotz alledem noch keine Halbleiterbauelenente, bei denen die praktisch verwendeten, mit einem aufgeformten Gehäuse versehenen Halbleiterkörper ausreichend sowohl gegen thermische und mechanische Spannungen als auch gegen chemische Verunreinigungen geschützt sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein nit einem Gehäuse umgebenes Halbleiterbauelement zu schaffen, das besser gegen thermische Spannungen, mechanische Stöße und chemische Verunreinigungen als die bisher bekannten Halbleiterbauelente geschützt ist.

Ausgehend von einem Halbleiterbauelement, enthaltend einen Halbleiterkörper mit zwei Breitseiten, mindestens einem zwischen diesen beiden liegenden Übergang und zwei mit den Breitseiten verbundenen Kontaifteinrichtungen, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Rand des Halbleiterkörpers zum Schutz der an die Oberfläche tretenden Händer des Übergangs mit einer Glaspassivierungsschicht bedeckt ist, welche die an den peripheren Rund tretenden !Teile der Übergänge bedeckt und ein thermisches Ausdehnungsdifferential bezüglich des Halbleiter-

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materials von weniger als 5.10 , eine Surchschlsgfestigkeit von mindestens 39GOO Volt/mm (975 V/mil.) und einer, Isolierwiderstand

-, ρ
von mindestens IC Ohm · cm aufweist, da£ der Halbleiterkörper und die Passivierungsschichten sum weiteren Schutz des HcIbleiterkörpers gegen Verunreinigungen'sowie zum Schutz des Halbleiterkörpers und der Glaspascivierungsschicht gegen mechanische Stöße vollkommen dicht in ein nachgiebiges, flüssigkeits- und güsunaurchiäü. '.^es Material eingebettet sind, d&s eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 2GG00 7/mm (500 V/mil) und einen Isolierwiderstaiid von mindestens IG'" 0hm · cm aufweist, und öa3 dieses nachgiebige Material in einen als Gehäuse dienenden

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Preßkörper eingehüllt ist.

Die Erfindung wird im folgenden, in Verbindung mit der Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Die Figur 1 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement.

Die Figur 2 ist ein Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einem neuartigen Kontakt- und Stoßdämpfersystem.

Die Figuren 3 und 4 sind Draufsichten auf die Ober-bzw. Unterseite eines für Thyristoren geeigneten Halbleiterbauelementes, wobei die Kontaktflächen in gestrichelten Linien angedeutet sind.

Die Figur 5 ist ein Schnitt längs der linie 5-5 der Fig..3 und zeigt"schematisch die Befestigung der Kontakteinrichtung am Halbleiterkörper.

Die Figuren 6 und 7 sind Draufsichten auf die Ober- bzw. Unterseite eines für Triacs geeigneten Halbleiterbauelementes, wobei die Kontaktflächen in gestrichelten'Linien angedeutet sind.

Die Figur 8 ist ein Schnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 6 und zeigt schenatisch die Befestigung der Kontakteinrichtung am Halbleiterkörper.

Die Figur 9 zeigt in auseinandergezogener Ansicht einen Teil des Halbleiterböuelementes vor dem endgültigen Zusammenbau.

Die Figuren 10 und 11 sind Schnitte durch Halbleiterbauelemente vor der Einkapselung und vor bzw. nach dem Erhitzen der Glaspass ivierungsschicht en.

Die Fig. 1 zeit ein Halbleiterbauelement 100 mit einem pn-Über-

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gänge aufweisenden, mo no kristall inen Halbleiterkörper 1, der über Befestigungseinrichtungen 7 bzw. 9 an einer Wärmesenke 3 bzw. einer elektrischen Kontaktplatte 5 befestigt ist. G-emäß ligur 2 enthalten die Befestigungseinrichtungen jeweils eine Kontakteinrichtung 11 und eine Stoßdämpfungseinrichtung 13. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält jede Kontakteinrichtung eine Chromschicht 15, die mit der einen Breitseite direkt an der Oberfläche des Halbleiterkörpers hafet und an ihrer anderen Breitseite mit einer Nickelschicht 17 fest verbunden ist. Die Uickelschicht 17 wird durch, eine an ihr befestigte Silberschicht 19 oxidfrei gehalten. Die Stoßdämpfereiurichtungen bestehen vorzugsweise aus einem weichen Lötmittel, % das zur Legierung von Silber geeignet ist. Unter "Lötmittel" sind Lötmittel zu verstehen, die unter Außenraumbedingungen einen Elastizitätsmodul von weniger als 7,7 * 10 g/cm (1,1 · 10 lbs/Zoll ) aufweisen. Derartige Lötmittel sind ausreichend nachgiebig, um ohne zu zerbrechen die bei der Handhabung auftretenden mechanischen Stöße und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der an ihnen haftenden Oberflächen aufzunehmen. Vorzugsweise v/erden solche weichen Lötmittel verwendet, die in geschmolzenem Zustand mit Silber Legierungen bilden können, wie beispielsweise Blei-Zinn, Blei-Zinn-Indium, Blei-Zinn-Silber, Blei-Antimon und dergleichen. Bevorzugte weiche Lötmittel enthalten einen größeren Anteil an Blei und/oder Zinn und eine " geringere Menge Silber. Als gut geeignet hat sich ein weiches Lötmittel erwiesen, das im wesentlichen aus 90 G-ew# Blei, 5 G-ew^ Indium und Rest Silber besteht. Der Silbergehalt des Lötmittels kann auch teilweise oder ganz der Silberschicht der Kontakteinrichtung entnommen werden. Es ist auch möglich, "daß man die Silbersicht der Kontakteinrichtung beim Zusammenbau vollständig mit dem Lötmittel legieren läßt, so daß keine getrennte Silbersicht übrig bleibt, obwohl eine getrennte Silberschicht etwas bessere Bindungen ergibt. Der Halbleiterkörper kann anstatt durch eine weiche Lötmittelschicht als Stoßdämpferschieht auch durch Hartlötung oder auf andere Weise direkt mit der Wärmesenke verbunden sein, wenn nur begrenzte thermische Wechsel-

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beanspruchungen zu erwarten sind. Der Halbleiterkörper kann auch mit einer als stoßdämpfende Schicht wirkenden zusätzlichen Platte verlötet sein.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Figuren 3, 4 und 5 an einem Halbleiterkörper 200 beschrieben, der für Thyristoren geeignet ist. Der Halbleiterkörper 200 enthält Zonen 202 und 204 vom einen Leitungstyp und Zonen 206 und 208 vom entgcjgengenetzon Loitungstyp. Die oberen und unteren Ränder de« Halbleiterkörpern oind bei 210 und 212 abgeschrägt. An den abgeschrägten Händern haftet eine dielektrische Passivierungsschicht 214 aus beispielsweise Glas. Auf einem Bereich 218 der Oberfläche, der in Pig. 3 gestrichelt angedeutet ist, liegt eine Kontakteinrichtung 216, welche in Pig. 5 schematisch gerzeigt ist. Die innere Zone 206 des Kalbleiterkörpers erstreckt sich im Bereich dreier kreisförmiger Bereiche 206A, 206 3 und 2060 durch die die äußere Zone 202 hindurch und ist an die Kontakteinrichtung 216 angeschlossen. An der entgegengesetzen Breitseite des Halbleiterkörpers ist eine weitere Kontakteinrichtung 220 befestigt, welche den in Pig. 4 gestrichelt dargestellten Bereich 222 bedeckt. Schließlich ist noch eine Steuerkontakteinrichtung 224 vorgesehen, v/elche in einem in Pig. 3 mit 226 bezeichneten Bereich an der einen inneren Zone befestigt ist.

Als weitere Ausführungsform ist in den Piguren 6, 7 und 8 ein für Triacs geeigneter Halbleiterkörper 300 gezeigt. Der Halbleiterkörper 300 enthält eine erste Zone 302 und eine Steuerzone 304, die in seitlicher Richtung beabstandet und vom gleichen Leitungstyp sind. Die erste Zone und die Steuerzone bilden mit einer zweiten Zone 306 vom entgegengesetzten Leitungstyp Übergänge. Weitere Zonen 308 und 312 sind vom gleichen Leitungstyp wie die Zonen 302 und 304, während eine vierte Zone 310 vom gleichen Leitungatyp wie die Zone 306 ist. Hieraus ergibt sich, daß der Halbleiterkörper in einem Schnitt durch die erete

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Zone eine pnpn- oder npnp-Zonenfolge aufweist, ausgenommen eines kleinen Bereiches 306A, wo sich die mittlere Zone 306 durch die erste Zone 302 hindurch erstreckt und wo infolgedessen nur eine Folge von drei Zonen vorhanden ist. Außerdem ergibt sich in einem Schnitt durch die Steuerzone 304 eine pnpnp- oder npnpn-Zonenfolge. Auf einem Bereich, der durch die gestrichelte Linie 316 angedeutet ist, liegt eine erste Kontakteinrichtung 314 und auf einem Bereich, der durch die gestrichelte Linie 320 begrenzt ist, eine zweite Kontakteinrichtung 318. Beide Kontakteinrichtungen liegen sowohl über p-leitenden als auch über η-leitenden Zonen. Eine nicht -dargestellte Kontakteinrichtung bedeckt den gestrichelt angedeuteten Bereich 322 und damit im wesentlichen die Steuerzone 304. üin kleiner Teil der Steuerkontekteinrichtung liegt außerdem über einem 3ereich 324, der Teil eines etwas größeren Bereiches 326 der Zone 306 ist. Die Oberflächenverbindung des Bereiches 326 mit dem Hauptabschnitt der Oberfläche dieser Zone ist ein dünner, indirekt verbindender Abschnitt 328. Dieser Verbindungsabschnitt 328 ist wegen des kleinen Abstandes zwischen der ersten Zone und der Steuerzone und wegen eines vorspringenden Abschnitts 330 der ersten Zone relativ dünn. Da die Zone 306 sowohl unter der ersten Zone als auch unter der Steuerzone liegt, ist der Abschnitt 326 mit Hinblick auf die elektrische Verbindung mit dem Hauptabschnitt der Zone 306 nicht von dem Verbindungsabschnitt 328 abhängig. Vielmehr dient dieser Verbindungsabschnitt hauptsächlich nur dazu, die erste Zone von der Steuerzone elektrisch zu trennen.

Die abgeschrägten Händer der Halbleiterkörper tragen bei geeignet gewähltem Neigungswinkel dazu bei, die Durchbruchsspannung in Sperrichtung, die das Kalbleiterbauelement ohne Schaden aushalten kann, zu erhöhen. Insbesondere bietet das Abschrägen den Vorteil, daß bevorzugt nur die nicht schädlichen Durchschläge, im Inneren des Kalbleiterkörpers anstelle von schädlichen Oberflächendurchbrüchen euftreten. Die mit den abgeschrägten Rändern

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zusammenwirkende Glaspassivierungsschicht der Halbleiterkörper, die insbesondere die an diese Ränder tretenden Übergänge bedeckt, dient zur weiteren Verbesserung der Durchbruchseigen-

schäften in Sperrichtung. Da viele der Kontakte sowohl über p- als auch über η-leitenden Zonen liegen, weist die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Kontakteinrichtung 11 besondere Vorteile auf, weil es sowohl an p-leitenden als auch an"n-leitenden Zonen gut haftet. Die Bereiche 206A, 206B und 2O6C, innerhalb derer die Zone 206 der Kontakteinrichtung 216 zugeordnet ist, bilden einen direkten Strompfad durch den Halbleiterkörper parallel zur Steuerzone und erhöhen dadurch die Schaltempfind-r lichkeit des Halbleiterkörpers bei Anwendung kurzzeitiger oder periodischer Strom- oder Spannungsimpulse, hoher, durch er-" höhte Temperaturen an den Übergängen bewirkter Stroindichten, schneller Spannungsanstiege usw. beim Umschalten in den leitenden Zustand. Der Bereich 3O6A des Halbleiterkörpers 300 hat eine ähnvLiche Punktion. Der Bereich'324 zwischen der Steuerkontakteinriehtung und der zweiten Zone 306 ermöglicht, daß der' Halbleiterkörper 300 mit kleineren Steuersignalen in den hochleitenden Zustand geschaltet werden kann, wenn der Übergang zwischen der Steuerzone 304 und der Zone 306 in Sperrichtung gepolt ist. Der Bereich 324 ist vom Hauptabschnitt der Zone 306 etwas entfernt angeordnet, um zu vermeiden, daß. die gesamte Zone 306 das Potential der Steuerzone annimmt. Die Zonen 206A, 206B, 206C, 3O6A und 324 können in jeder beliebigen Gestalt und Zahl vorhanden sein. Diese Bereiche können einzeln oder gesamt weggelassen werden.

In Figur 9 ist ein Halbleiterkörper mit Kontakt- und Stoßdämpfungseinrichtungen gezeigt. Der Halbleiterkörper is.t zwischen der Wärmesenke 3 und der elektrischen Kontaktplatte 5 angeordnet. Die Kontaktplatte v/eist einen nach oben umgebogenen Abschnitt auf, der sich längs des einen Randes des Halbleiterbauelementes erstreckt. liit seitlichem Abstand zur elektrischen Kontaktplatte 5 ist eine Steuerklemme 25 vorgesehen, die an der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers befestigt ist. Die Steuerklemme

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ist ebenfalls mit einem nach oben umgebogenen Abschnitt 27 versehen.

Die Wärmesenke ist mit einer öffnung 29 versehen, die seitlich vom Halbleiterbauelement beabstandet ist und dazu verwendet werden kann, die Wärmesenke thermisch leitend mit einem Chassis oder einer Kühlrippe zu verbinden. Am Sand der Wärmesenke ist ein fest mit ihr verbundener Fußabschnitt 31 vorgesehen, der senkrecht nach oben gebogen ist und einen Schlitz 33 aufweist.

Ein starres Kopfstück 35 aus elektrisch Isolierendem Material, z.B. Epoxyd-, Silikon- oder Phenolharz, weist eine Mittelöffnung ™ 37 auf, die so groß ist, daß sie mit Gleitsitz auf den nach oben ragenden Fußabschnitt der Wärmesenke aufgeschoben werden kann. Das Kopfstück tragt drei parallele elektrische Leiter 39, 41 und 43. Die Leiter 39 und 43 sind derart im Kopfstück gehaltet> daß sie nicht durch die Mittelöffnung 37 ragen, sondern in tangentialer Richtung an die nach oben umgebogenen Abschnitte 23 und 27 der Kontaktplatte 5 und der Steuerklemme 25 angepaßt sind. Der Leiter 41 ragt derart durch die Mittelöffnung des Kopfstücks, daß er genau in den Schlitz im Fußabschnitt geschoben wird, wenn das Kopfstück auf den Fußabschnitt aufgesetzt ist. Die Mittelöffnung und der Schlitz können dann mit einem Lötmittel gefüllt werden, um den Leiter 41 an der Wärme- ä senke zu befestigen.

V/enn das Kopfstück richtig positioniert ist, wobei die Leiter 39 bis 43 mit der Wärmesenke bzw. mit der Kontaktplatte und der Steueranschlußklemme verbunden sind, dann wird zum Einkapseln der Halbleitervorrichtung ein nachgiebiges gegenüber Gasen und Flüssigkeiten nahezu undurchlässiges Material 47 verwendet, das den Halbleiterkörper und zumindest teilv/eise die elektrischen Anschlüsse umhüllt. Anschließend werden dieses nachgiebige Material, die elektrischen Leitungen, das Kopfstück und die Wärmesenke zur Vervollständigung des Halbleiter-

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bauelementes mit einem Preßkörper als Gehäuse umgeben.

Die Passivierungsschichten, die die Ränder des Halbleiterkörpers bedecken, bestehen aus einem Glas, dessen thermisches Ausdehnungsdifferential bezüglich dem Halbleiterkristall kleiner als 5.10" ist. Das bedeutet, daß die beobachtete längenänderung der Glasschicht im Vergleich zu der des Halbleiterkörpers, bezogen auf eine ursprünglich gemessene Einheitslänge, bei irgendeiner Temperatur zwischen den beiden möglichen Grenztemperaturen kleiner als 5 · 10 ist, wenn die ursprüngliche Sinheitslänge längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers gemessen wird, wenn dieser am oder nahe am Erstarrungspunkt' des Glases mit der Glasschicht überzogen wird und anschließend Halbleiterkörper und Glasschicht auf diejenige minimale Grenztemperatur abgekühlt werden, die bei Anwendung des Halbleiterbauelementes, in welches der Halbleiterkörper eingebaut wird, erwartet wird. Das auf diese V/eise definierte thermische Ausdehnungsdifferential ist somit das dimensionslose Verhältnis einer Lärgendifferenz pro Einheitslänge. Wenn man das thermische Ausdehnungsdifferential unterhalb 5 · 10 und vorzugsweise unterhalb von 1 · 10 hält, dann bleiben die vom Halbleiterkörper auf die Glasschicht übertragenen thermischen Spannungen minimal, wodurch die Möglichkeit von Rissen, Brüchen oder Splitterungen im Glas aufgrund sofort induzierter Spannungen oder aufgrund von Ermüdungserscheinungen bei thermischen Wechselbeanspruchungen verkleinert wird.

Da die Passivierungsschicht mindestens einen Übergang des Halbleiterkörpers überbrückt, weist das Glas vorzugsweise einen ,

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Isolierwiderstand von mindestens 10 0hm · cm auf, damit vermieden wird, das irgendwelche Leckströme parallel zu dem zu passivierenden Übergang fließen können. Damit die Glasschicht außerdem den hohen Feldstärken widerstehen kann, die bei einer Polung des Übergangs in Sperrichtung insbesondere bei Gleichrichtern, entwickelt werden, v/eist sie vorzugsweise eine

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Durchschlagsfestigkeit von 39000 V/mm(975 V/mil) und vorzugsweise von mindestens 64000 V/mm (1600 V/mil) auf, wenn es sich um Halbleiterkörper für Hochspannungsgleichrichter handelt. V/enn der Halbleiterkörper am P_tand geeignet abgeschrägt und mit einer Gisspassivierungsschicht versehen ist, dann können an ihn außerordentlich hohe Sperrspannungen in Rückwärtsrichtung angelegt werden, ohne daß er zerstört wird.

In der folgenden Tabelle I sind zwei Beispiele für Glassorten angegeben, welche die bevorzugten Werte des thermischen Ausdehnungsdifferentials, der Durchschlagsfestigkeit und des Isolierwiderstandes aufweisen, die besonders in Verbindung mit Siliclumkörpern geeignet sind. Die angegebenen Prozentzahlen bedeuten Gewichtsprozent.

X Λ.

-^ Jj -u

Zusammensetzung # 45 tr 351

SiO₂ 12.35 ?S 9.4

ZnO 65.03 60.0

0, 0.06

B₂O₃ 22.72 25.0

CeO₂ - 3.0

Bi₂O₃ - ' 0.1

PbO - 2.0

SboO, - 0.5

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Das Glas Nr. 45 ist kommerziell unter dem Warenzeichen ¹¹GE Glass 351" und das Glas 45 kommerziell unter dem Warenzeichen "Pyroceram 45" erhältlich. Andere Zinksilicoboratgläser mit den erforderlichen Eigenschaften sind ebenfalls kommerziell erhältlich.

Obgleich eine die an die Oberfläche tretenden Händer der übergänge bedeckende Glaspassivierungsschicht einen wesentlichen Schutz gegen chemische Verunreinigungen der Übergänge darstellt, aufgrund derer die Übergänge ihre elektrischenEigenschaften ändern könnten, ist es häufig schwierig, mittels einer einzigen r Glasschicht die erwünschte Passivierung zu erhalten. Dies wird im folgenden anhand der Figuren 10 und 11 dargestellt. In diesen ist ein Halbleiterkörper 400 angedeutet, der in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben unterteilt werden soll. Ein solcher Halbleiterkörper enthält beispielsweise eine mittlere Zone 402 vom einen Leitungstyp mit planar eindiffundierten Zonai 404 und 406 vom entgegengesetzten Leivtungstyp. Die Grenzlinie der einzelnen Halbleiterscheiben, die aus dem Halbleiterkörper'ge- ■ bildet werden sollen, werden durch von den beiden Breitseiten des HalbleiterkÖrpers her eingeätzte aufeinander ausgerichtete Rillen 408 gebildet. Die eingeätzten Rillen führen außerdem zu der erwünschten Abschrägung der Übergänge. Anschließend werden auf die beiden Breitseiten des Halbleiterkörpers die Glaspasaivierungsschichten aufgebracht. Die Rillen in der oberen Breitseite des HalbleiterkÖrpers werden mit einer fein gepulverten Glasfritte 410 gefüllt, die dann auf ihosr Schmelztemperatur erhitzt wird. Wenn die Pritte schmilzt, bildet das Glas eine dicht, nahezu porenfrei Schicht 412. Da die Poren beseitigt sind, bildet die Glasschicht nur einen sehr dünnen Überzug auf dem Halbleiterkörper und füllt nur einen kleinen Teil der Rillen aus, obv/ohl ursprünglich die gesamte Rille mit der Pritte gefüllt worden war. Zur Herstellung der Glasschichten auf der entgegengesetzten Breitseite des HalbleiterkÖrpers muß der Halbleiterkörper urngedreht und der Prozess wiederholt v/erden. Wenn

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es erwünscht ist, die Glasschicht dicker zu machen, dann nüssen die .Rillen mehrmals mit einer Glasfritte gefüllt und erhitzt v/erden. V/egen des großen Volumenverlustes beim Erhitzen ist es jedoch in den meisten !"allen nicht möglich, die Rillen vollständig mit einer dichten Glasschicht zu füllen. Zur Unterteilung des Halbleiterkörpers in diskrete Scheiben wird der Halbleiterkörper längs der Rillen zerbrochen. Hierdurch besteht die Gefahr, daß die Glasschicht mechanisch beschädigt wird. Dieses Verfahren kann nicht nur an Halbleiterkörpern aus drei Zonen mit zwei Übergängen, sondern auch an Halbleiterkörpern mit beispeilsweise zwei Zonen und einem Übergang bzw. mit vier Zonen und drei Übergängen angewendet werden.

Zur zusätzlichen Passivierung des Halbleiterkörpers gegen chemische Verunreinigungen und damit zusätzlich zur elektrophoretisch niedergeschlagenen Passivierungsschicht 426, sowie zum Schutz der Passivierungsschichten und des Halbleiterkörpers gegen Spannungen und mechanische Schocks, insbesondere wenn eine aus einem brüchigen Material wie beispielsweise Glas bestehende Passivierungsschicht verwendet wird, wird zwischen die den Rand der Übergänge bedeckenden Glasschichten und den das Halbleiterbauelement als Gehäuse umgebenden Formkörper ein nachgiebiges, flüssigkeits- und gasdichtes Material 814 gefüllt. Obgleich das nachgiebige Material, welches ein zusätzliches Passivierungsmittel darstellt, durch die Glasschichten von denen Stellen der höchsten Feldgradienten abgehalten ist, die im Bereich der Ränder der Übergänge erscheinen, ist es trotzdem sehr hohen Potentialgradienten ausgesetzt und sollte daher eine Durchschlagsfestigkeit von 20000 V/mm (500 V/mil) und einen -Isolierungs-

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widerstand von mindestens 10 0hm · cm aufweisen. Wenn das Halbleiterbauelement als Hochspannungsgleichrichter verwendet wird, beträgt die Durchschlagsfestigkeit des nachgiebigen Materials mindestens 32000 V/mm (800"V/mil). Nachgiebige Materialien mit derartigen elektrischen Eigenschaften, einer sehr geringen Durchlässigkeit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen und mit 6iner hohen

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Stabilität sind Organopol/siloxanharze. Diese Harze werden''vorzugsweise in gehärteter elastomerer Form verwendet, in v/elcher sie als Siliconkautschuk bezeichnet werden. Die Harze können mit anorganischen dielektrischen Füllstoffen vermischt v/erden, solange die erwünschten elektrischen Eigenschaften aufrechterhalten bleiben. Es empfiehlt sich jedoch, derartige Füllstoffe nicht zu verwenden, damit ein hohes Maß an Undurchlässigice it gegenüber Flüssigkeiten und Gasen aufrechterhalten bleibt.

Vorzugsweise werden weiterhin Elastomere anstelle von Erdoxiden verwendet, da die Elastomere gegenüber Flüssigkeiten und Gasen undurchlässiger sind und gleichförmige Eigenschaften im Vergleich zu den Erdoxiden mit ihren speziellen Eigenschaften auf v/eis en. Außerdem können Elastomere besser mechanische Stöße aufnehmen und dadurch die auf den Halbleiterkörper und die Glaspassivierungsschichten übertragenen Stöße auf ein Minimum herabsetzen.

Bei Betrachtung des Halbleiterbauelementes 100 zeigt sich, daß der Halbleiterkörper außerordnetlich gut gegen chemische Verunreinigungen, thermisch induzierte Spannungen und mechanische Stöße geschützt ist. Die Befestigungseinrichtungen 7 und 9 bewirken eine zähe Bindung mit geringem Widerstand zwischen der Wärmesenke 3 bzw. der elektrischen Kontaktplatte 5 und dem Halbleiterkörper 1. Die aus weichem Lötmittel bestehenden, stoßdämpfenden Schichten 13 schützen den Halbleiterkörper außerdem gegen thermisch induzierte Spannungen, die aufgrund der divergierenden thermischen Ausdehnungseigenschaften der Wärmesenke und der elektrischen Anschlußplatte im Vergleich zum Halbleitermaterial entstehen. -Irgendwelche Flüssigkeiten, Gase pder Dämpfe, die die Übergänge des Halbleiterkörpers 1 verunreinigen könnten,' müssen nicht nur das Gehäuse 49, welches bei thermischen tvechselbeanspruchungen von der Wärmesenke abbrechen oder bei Erhitzung selbst verunreinigende Medien abgeben könnte, und die Glaspassivierungssehichten, die beim Unterteilen des Halbleiterkörpers in einzelne Scheiben zerbrochen werden oder für eine

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ausreichende Passivierung zu dünn sein könnten, sondern auch das nachgiebige, nahezu undurchlässige, als Kapselmaterial dienende Material 47 durchdringen. Dieses Material nimmt außerdem mechanische Stöße auf, denen das Gehäuse unterworfen wird und die direkt auf die Glasschichten übertragen werden und diese zerbrechen könnten. Das Halbleiterbauelement ist außerdem dadurch geschüzt, daß die elektrischen Zuführungen im gewünschten Abstand und mit der gewünschten Orientierung durch ein Kopfstück getragen sind und nicht nach dem vollständigen Zusammenbau des Halbleiterbauelementes ein außerhalb befindlicher Verbindungsstreifen angepreßt werden braucht, da bei dessen Anbringung häufig mechanische Stöße durch die Leiter auf den Halbleiterkörper übertragen werden.

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Claims

Pat ent anspr üc he

1) Halbleiterbauelement, enthaltend einen Halbleiterkörper mit zwei Breitseiten, mindestens einem zwischen diesen beiden liegenden Übergang und zwei mit den Breitseiten verbundenen Kontakteinrichtungen,

dadurch gekennzeichnet , daß der , periphere Rand (408) des Halbleiterkörper (400) zum Schutz der an die Oberfläche tretenden Ränder des Überganges mit einer Glaspassivierungsschicht (412) bedeckt ist, welche die an den peripheren Rand tretenden Teile der Übergänge bedeckt und ein thermisches Ausdehnungsdifferential bezüglich des Halbleitermaterials von weniger als 5.10 , eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 39000 V/mm (975 V/mil) und einsi Isolierwiderstand··

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von mindestens 10 Ohm · cm aufweist, daß der Halbleiterkörper

(400) und die Passivierungsschichten (412) zum weiteren Schutz des Halbleiterkörpers gegen Verunreinigungen sowie zum Schutz des Halbleiterkörpers und der GIaspassivierungsschicht gegen mechanische Stöße vollkommen dicht in ein nachgiebiges, flüssig-" keits- und gasundurchlässiges Material (47) eingebettet sind, das eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 20000 V/mm (500 V/mil) und einen Isolierwiderstand von mindestens 10 Ohm · cm aufweist, und daß dieses nachgiebige Material (47) in einen als Gehäuse dienenden Preßkörper (49) eingehüllt ist*

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspassivierungsschicht ein thermisches Ausdehnungsdifferential bezüglich des Halbleitermaterials von weniger als 1.10"* aufweist.

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3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die GIa spassivierungsschicht eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 64000 V/mm (1600 V/mil) aufweist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kontakteinrichtungen ein stoßdämpfendes Mittel (13) aufweist, das den Halbleiterkörper elektrisch mit einem Anschlußkontakt (5) verbindet.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß das stoßdämpfende Mittel (13) eine LOtmitte!schicht mit einem Elastizi- tätsmodul von weniger als 7,7 · 10* g/cm² (1,1 * 10^ Ibs/Zoll ) ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das nachgiebige flüssigkeits- und gasundurchlässige Material (47) ein Organopolysiloxanharζ ist.

7. Halbleiterbauelement.nach der der Ansprüche Ibis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das nachgie- ™ bige, flüssigkeits- und gasundurchlässige Material ein Elastomer

8. Halbleiterbauelement nach einem der Anspruch 1 bis 7, · ^! dadurch gekennze i.-c h η <e t ,-_ daß das nachgiebige,, flüssigkeits- und gasundurchlässige Material eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 32OÖ0V/mm (800 V/mil) aufweist.

HgvS/Lo

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