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Halbleiterbauelement Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement,
dessen Halbleitertablette zwischen metallischen, durch einen keramischen Isolierring
gasdicht verbundenen, blechförmigen und elastischen Kontaktierungsteilen gehaltert
ist. Beispiele solcher Halbleiterbauelemente sind Leistungethyristoren und Dioden,
die für hohe Ströme ausgelegt sind. Da die eigentliche Halbleitertablette Temperaturen
in der Größenordnung von IOOOC - wenn sie z.3. aus Silizium bestehen - nicht überschreiten
sollen, muß bei derartigen Hochstrombetrieben für eine ausreichende Kühlung gesorgt
werden. Aufgrund dieser Erfordernisse hat sich eine scheibenformige Ausführungsform
derartiger Halbleiterbauelemente herausgebildet.
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Bei manchen Anwendungsfällen wird jedoch die Geräusahentwicklung solcher
Bauelemente als belästigend und oftmals unzumutbar empfunden.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, Halbleiterbauelemente gleicher
elektrischer Eigenschaften zu entwickeln, die mit diesen Nachteilen nicht behaftet
sind. Entsprechende Untersuchungen zeigten, daß bei der Strombelastung unter hohen
Schaltfrequenzen zwischen den stromführenden Leitern und anderen Teilen aus magnetischen
Werkstoffen der Halbleiterbauelemente starke mechanische Wechselkräfte auftreten,
wodurch die magnetischen Teile zu mechanischen Schwingungen und demzufolge zu einer
Geräuscherzeugung angeregt werden. Aus ferromagnetischen Werkstoffen - Vacon 10
- waren aber die Halterungselemente hergestellt. Aufgrund dieser Untersuchungen
besteht die Lösung der angeschnittenen Probleme erfindungsgemäß darin, daß die Kontaktierungsteile
aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffidient
in
der Größenordnung jenes des Keramikringes liegt, und die gasdichte Verbindung mit
dem Isolationsring sowie evtl. isolierenden Eiektrodendurchführungen durch ein beide
Teile ohne Schutzgas bzw. im Vakuum benetzendes Lot hergestellt ist. Es wurde weiterhin
gefunden, daß für die Kontaktierungsteile Titan und Zirkon besonders gut geeignet
sind.
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Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung si auf die Fig. 1 bis 3
verwiesen, in denen einige AusfÜh.rungsbeispiele näher dargestellt und aus denen
weitere Einzelheiten und Merkmale dieser Erfindung zu entnehmen sind.
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Die Fig. 1 zeigt einen Hochleistungsthyristor, dessen Halbleitertablette
1 aus einer Siliziumscheibe besteht. Diese ist zwischen zwei Molybdänblöcken 2 und
3 gefaßt, die in elektrischem Kontakt mit napfförmigen Silberblechen 61 und 71 stehen.
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Diese Silberbleche wiederum sind mit ringförmigen Titanblechen 6 bzw.
7 verlötet, die abdichtend mit dem Isolationsring 5 aus A1203 verbunden sind. Über
Kühiblöcke 8 und 9 wird die Verlustwärme abgeführt und der benötigte Anpreßdruck
für die einwandfreie elektrische Kontaktierung im Inneren des Elementes entlang
der Pfeilrichtung aufgebracht. Die Steuerelektrode 4 ist mit einer Keramikisolierung
4t durch das Titanblech 6 hindurehgeführt. Die Verbindung mit dem Isolierring 5
erfolgt über vorher auf diesem aufgelötete Flansche 62 und 72, die ebenfalls aus
Titan bestehen. Beim Zusammenbau des gesamten Elementes müssen daher lediglich die
Titanbleche 6 und 62 sowie 7 und 72 miteinander metallurgisch verbunden werden.
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Während dieses Verbindungsvorganges wird das gesamte Bauelement zweckmäßigerweise
über die Kühlkörper 8 und 9 gekühlt und damit eine übermäßige Temperaturbeanspruchung
der Haibleitertablette 1 vermieden. Es ist zur Vorbereitung dieses Arbeitsganges
zweckmäßig, die Flanschringe 62 und 72 vorher auf den Isolierring 5 aufzulöten.
Dies kann dadurch geschehen, daß dieser in üblicher Weise vorher metallisiert wird,
z.B. durch einen MnMo-Uberzug und anschließend die Lötung mit den Titanflanschringen
62 und 72 erfolgt. Das hierfür verwendete Lot besteht
erfindungagemäß
aus einer Silberlegierung mit einem Gehalt von 15 bis 35 ,~, vorzugsweise 21,7 %,
Kupfer. Bei letzterer Legierung liegt die Verarbeitungstemperstur etwa bei 830da.
Dieses Lot hat eine ganz besonders gute Benetzungseigenschaft für Titan sowie Keramikmetallisierungen
und andere Metalle, die Lötspalten werden vollständig und dicht ausgefüllt. Es ist
dabei auch eine gleichzeitige Lötung verschiedener Stellen, z.B. auch der EleXtrodendurchführung
4, möglich. Die Anwendung eines Flußmittels ist nicht notwendig, es ist Jedoch zweckmäßig,
die Lötung im Vakuum durchzuführen, da Titan eine starke Reaktionsneigung mit Sauerstoff
und Stickstoff hat. Die rein äußere Form dieses Ausführungsbeispieles ist praktisch
die gleiche, wie sie z.Zt. gebrauchlich ist, die bisher üblichen Vaconteile wurden
lediglich durch Titanteile ersetzt. Diese könnten in gleicher Weise auch aus Zirkon
hergestellt werden. Diese Materialien wurden ausgewählt, da sie unmagnetisch sind,
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten oA im Bereich von 5 bis 9 . 10 6 #oO haben,
sich durch Stanzwerkzeuge gut schneiden und ziehen lassen und letztlich gut schweiß-
und lötbar sind.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, Hier wurden
zunächst die Silberfolien 61 und 71 weggelassen und die Bleche 6 und 7 selbst napfförmig
ausgebildet. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zu den Xoiybdänblöcken 2 und 3
wurde eine dünne Silberfolie 21 und 31 in der dargestellten Weise eingebracht. Weiterhin
wurde der Flanechring 62 weggelassen und das Titanblech 6 direkt auf den Keramikring
5 aufgelötet. Das Herstellungsverfahren eines solchen Halbleiterbauelementes läßt
sich dann durch folgende Schritte kurz darstellen: Gleichzeitiges Verlöten des Keramikringes
5 mit dem Titan blech 6 und dem Ringflansch 72 sowie Einlöten des Isolierkörpers
41 für die Durchführungselektrode 4. Die räumliche Ausbildung dieser Durchführung
ist in Fig. 2a näher dargestellt. Der Isolierkörper 41 ist in einer tiefgezogenen
Bohrung des Bleches 6 eingesetzt unter Zwischenlage eines Lötdrahtes 65.
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Die Elektrode 4 ist durch die Bohrung dieses Isolierkdrpers 41
hindurchgeführt,
die eine leichte Erweiterung hat und in die ebenfalls ein Lotdrahtring 45 eingelegt
ist. Nach dem Zusammenstecken dieser Teile werden sie z.B. in einem Ofen in einem
Arbeitsgang miteinander verlötet, wobei sich eine dichte Verbindung zwischen der
Elektrode 4 und dem Isolierkörper 4t sowie zwischen diesen und dem Blech 6 ergibt.
Außerdem wird eine dichte Verbindung mit Hilfe des bereits genannten Lotes 63 gegenüber
der Isolierung 5 hergestellt. Anschließend wird die Silberfolie 21, die Molybdänblöcke
2 und 3 sowie die Halbleitertablette 1 eingelegt und die Steuerelektrode an die
Siliziumscheibe 1 angeschlossen. Dann wird wiederum eine Silberfolie 31 auf den
Molybdänkörper 3 aufgelegt und zum Schluß die napfförmigetiefgezogene Titanscheibe
7 aufgelegt und die gesamte Anordnung mit Hilfe der Kühlkörper 8 und 9 zusammengespannt.
Nunmehr ist lediglich eine Dichtverbindung 74 zwischen den Teilen 72 und 7 vorzunehmen.
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Der Unterschied zwischen Thyristoren und Dioden liegt lediglich darin,
daß die Dioden keine Steuerelektroden benötigen, ansonstenist der grundsätzliche
Aufbau einer Diode praktisch der gleiche.
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Beim Schmelzen des Lotes löst sich eine geringe Menge Titan bzw. Zirkonium
aus den Blechen 6 bzw. 7, so daß dadurch aus der Lotlegierung ein sogen. Aktivlot
wird. Mit diesem wäre es sogar möglich, ohne eine Metallisierung der Keramikteile
eine einwandfreie Lot verbindung zwischen den in Frage kommenden Teilen herzustellen.
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Es wäre auch möglich, die Verbindung zwischen dem Blech 6 und dem
teramikring 5 ohne Verwendung eines Zwischenlotes allein durch sogen. Diffusionelötung
herzustellen. Dieser Fall ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dazu wird der untere
Flanschring .72 durch einen ebenen Ring 73 ersetzt und der für die Diffußionslötung
notwendige Spanndruck über die Körper 51 und 52, z.B.
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aus Ceroxyd, aufgebracht. Der Nachteil dieser Methode liegt
lediglich
im höheren Zeitbedarf. Nach dem Zusammenbau des Halbleiterbauelementes würde dann
analog zum genannten Verfahren gemäß Fig. 2 das Titan- bzw. Zirkonblech 7 mit dem
Flanschring 73 metallurgisch verbunden.
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Dieser Aufbau von HaLbleiterbauelementen mit Hilfe von nichtmagnetischen
Materialien hat gegenüber dem Stande der Technik nicht nur den Vorteil der Geräuschfreiheit,
sondern auch der geringeren Belastung der Verbindungsstellen zwischen Keramik und
Metall, da Schwingungen, die durch Geräuschbildung erkennbar sind, hier nicht mehr
auftreten.
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Abschließend sei erwähnt, daß neben den genannten Materialien Zirkon
und Titan auch Niob, Tantal und Vanadium für die Bauteile 6 und 7 Verwendung finden
könnten. Jeaoch sind die in den Beispielen genannten Materialien aus verbindungstechnischen
Gründen vorzuziehen Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese in den
Beispielen genannte Form an scheibenförmigen Halbleiterbauelementen beschränkt.
Ihre sinngemäße Anwendung ist auch bei anderen Konstruktionen möglich und vorteilhaft.
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3 Figuren 7 Patentansprüche