DE2015247B2 - Halbleiter-bauelement - Google Patents

Description

beiden Fällen nur mit einem dünnen Nickel- und ge- auf den beiden Seiten des Halbleiterplättchens zur gebenenfalls zusätzlich mit einem dünnen Gold-Film Stützung vorgesehen sind, ist also, wie oben erwähnt, bedampft. Diese Filme tragen zur mechanischen erfindungsgemäß eine Basiselektrode weggelassen, Stützung des spröden Halbleiterplättchens nicht bei. wodurch der thermische und der elektrische Wider-Die aus diesen beiden Patentschriften bekannten 5 stand zwischen den leitfähigen Blöcken und dem HaIb-Halbleiter-Bauelemente weisen also den Mangel auf, leiterplättchen reduziert und damit die Leistungsdaß das Halbleiterplättchen bei Hochleistungsbetrieb fäliigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung geleicht bricht. steigert wird. Die Bruchgefahr des Halbleiterplättchens

Bei den Halbleiterelementen gemäß der schweize- wird durch die vorhandene eine Basiselektrode weit-

rischen Patentschrift 406 443 und den französischen io gehend reduziert, während die Gefahr eines Klebens

Patentschriften 1 46G 106 und 1 374 981 ist das Halb- infolge der weggelassenen zweiten Basiselektrode

leiterplättchen zwischen einem Paar von stützenden durch den erfindungsgemäßen dünnen Metallfilm und

Basiselektroden aus Molybdän, Wolfram od. dgl. die gegebenenfalls vorgesehene spröde Metallfolie

befestigt, und diese Einheit ist zwischen den leitfähigen vermieden wird.

Blöcken eingespannt. Der Nachteil einer Anordnung 15 Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung

des Halbleiterplättchens zwischen zwei Basiselektroden sind in der nachstehenden Beschreibung an Hand der

besteht darin, daß der elektrische und der thermische Zeichnungen erläutert; in de- Zeichnungen zeigt

Widerstand verhältnismäßig hoch sind. Beide Wider- F i g. 1 einen Längsschnitt dirch ein erfindungs-

stände lassen sich reduzieren, indem eine der Basis- gemäßes Halbleiter-Bauelement,

elektroden weggelassen wird, wie dies bei dem er- 20 F i g. 2 zur Erläuterung einen vergrößerten Quer-

findungsgemäßen Aufbau der Fall ist. Durch das schnitt des Hauptabschnitts des in F i g. 1 gezeigten

Weglassen der einen Basiselektrode entsteht jedoch Bauelements,

die Tendenz, daß bei Stromfluß durch das Halbleiter- F i g. 3 den Hauptteil eines weiteren erfindungs-

element ein unerwünschtes Kleben zwischen den gemäßen Halbleiter-Bauelements in ähnlicher Dar-

Kontaktflächen des leitenden Blocks und des Halb- 25 stellung wie F i g. 2,

leiterplättchens auftritt, wodurch die Gleitfähigkeit F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Bezwischen den Oberflächen beeinträchtigt und schließ- ziehung zwischen dem Anteil an unbrauchbar gelich ein Bruch des Halbleiterplättchens verursacht wordenen Bauelementen und der Zahl der den Wärmewird, zyklen entsprechenden Betriebsperioden bei erfindungs-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 30 gemäßen und konventionellen Halbleiter-Bauelemen-

Halbleiteranordnung für Hochleistungsbetrieb zu ten,

schaffen, bei der einerseits die Bruchgefahr des Halb- F i g. 5 ein Diagramm über die Beziehung zwischen

leiterplättchens so klein wie möglich gehalten wird und dem Wärmewiderstand in der den leitfähigen Block

andererseits die Leistungsfähigkeit der Anordnung und das Plättchen durchsetzenden Richtung und der

möglichst gesteigert wird. 35 Zahl der Betriebsperioden und

Eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problems F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Beerfolgt durch derartige Ausgestaltung des eingangs ziehung zwischen dem Spannungsabfall in Durchlaßgenannten Halbleiter-Bauelements, das die Oberfläche richtung und der Zahl der Betriebsperioden der HaIbdes genannten zweiten leitfähigen Blocks, die der auf leiter-Bauelemente.

die genannte andere Fläche des Halbleiterplättchens 40 Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelement

auflegierten Elektrode zugewandt ist, mit einem etwa ist eine Basiselektrode, deren Wärme-Ausdehnungs-

5 bis 200 μ starken metallischen Film überzogen ist, koeffizient nahe dem des Plättchens liegt, an dieses

der beträchtlich höheren Schmelzpunkt und größere sowie an einen leitfähigen Block angelötet. Die dem

Härte aufweist als der zweite leitfähige Block, so daß leitfähigen Block auf der anderen Seite zugewandte

die Oberflächen des dünnen metallischen Films und 45 Fläche des Plättchens steht mit der Oberfläche des

der Legierungselektrode gleitend und ohne uner- Blocks in Berührung, wobei der Block längs der Ober-

wünschtes Kleben zwischen dem zweiten leitfähigen fläche des Plättchens gleiten kann. Wegen der unter-

Block und der Legierungselektrode gegeneinander ge- schädlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

drückt sind. des aus Kupfer bestehenden leitfähigen Blocks von

Eine zweite erfindungsgemäße Lösung der dar- 50 16,5 · 10-" und des aus Silicium bestehenden Plättgelegten Aufgabe besteht darin, daß bei dem Halb- chens von 3,6 · 10"^e ist die Gleitbewegung verhältnisleiter-Bauelement der eingangs bezeichneten Art die mäßig stark. Da außerdem durch Überströme und hochglatte Oberfläche des genannten zweiten leit- diskontinuierliche Belastungen Wärme entwickelt wird, fähigen Blocks, die der an der genannten anderen kann die Gleitbewegung in Form einer gewissen kom-Fläche des Halbleiterplättchens anhaftenden ohmi- 55 plizierten thermischen Stoßbewegung auftreten. Da sehen Elektrode zugewandt ist, mit einem 5 bis 200 μ das Plättchen und der Block zur Erzielung guter starken metallischen Film überzogen ist, der be- thermischer und elektrischer Leitungsübergänge fest trächtlich höheren Schmelzpunkt und größere Härte zusammengepreßt sind, ist das Plättchen notwendigeraufweist als der zweite leitfähige Block, und daß weise hohen Spannungen unterworfen. Aus diesen zwischen den dünnen metallischen Film und die 60 Gründen müssen die Kontaktflächen des Plättchens ohmische Elektrode eine spröde Metallfolie mit im und des leitfähigen Blocks so gebaut sein, daß sie wesentlichen ebenen Oberflächen eingefügt ist, so die erwähnten hohen thermischen und mechanischen daß der zweite leitfähige Block und das Plättchen Spannungen aushalten.

längs den in Kontakt stehenden Oberflächen gleitend Das erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelement kennzusammengedrückt sind. ⁶5 zeichnet sich dadurch, daß die Fläche des leitfähigen

Von den beiden Basiselektroden, wie sie gemäß der Blocks, die gleitend auf die gegenüberliegende Fläche

schweizerischen Patentschrift 406 443 und den fran- des Plättchens gedrückt ist, mit einem dünnen me-

zösischen Patentschriften 1 466 106 und 1 374 981 ta'lische.i Film mit beträchtlicher Härte und einem

5 6

hohen Schmelzpunkt überzogen ist, so daß ein gegen- (IV) Karbid-Verteilungsmaterial, das in einem Binde-

seitiges Aufschmelzen zwischen den Materialien des ^m'^tte' feinverteilte Karbide enthält und aus·

leitfähigen Blocks und der Ohmschen oder auf das Wolframkarbid, Titankarbid oder Tantalkarbid

Plättchen auflegierten Elektrode, das leicht zu dem . in einem Bindemittel wie Kobalt, Nickel, Eisen,

unerwünschten Kleben führt, verhindert werden kann. S Mangan oder Chrom besteht; beispielsweise also

Auch wenn die durch ein Kleben verursachte Ver- (_a) 88,25 °/₀ W 6°/₀Co 5,75% C

bindung nur schwach ist, bringt das Kleben Nachteile ,^ 71,7°/ W — 20°/ Co — 2 7°/ Ta — 0 9°/

mit sich. Nb—°4 7i>/ C ° ° ' *

Im allgemeinen weisen metallische Materialien von - ' ° _1β .

großer Härte und hohem Schmelzpunkt große ther- to W « «W- 3 /„Co- 1/.Ni- 2 /₀Cr -

mische und elektrische Widerstände auf, die um so 7,2 /₀ I a — 10 /„ 11 — 2,4 I₀SHb- 7,4 /„ C

kleiner sind, je dünner der Film ist. Da andererseits (V) Kombinationen des Grundierüberzugs und des

die Kontaktflächen starken Reibungs- und Gleit- obenerwähnten Films, bewegungen ausgesetzt sind, muß die Dicke vom

Standpunkt der Betriebsdauer her so groß sein, daß is Bei den Versuchen wurden die folgenden Elektrolyte

der Film die mechanischen Spannungen und den für das Aufgalvanisieren eines Films der Gruppe (I)

Abrieb aushält. Ist die Dicke zu gering, so wird die benutzt:

Oberfläche des leitfähigen Blocks durch Abschälung _{(A) Galvanjscher} überzug aus W-Co-Legierung oder Abrieb des Films freigelegt. Da die minimale

Filmstärke von den thermischen und elektrischen« (0 Zusammensetzung des Elektrolyts:

Widerständen des Materials abhängt, ist es schwierig, Natriumwolframat Na₁WO₄ · 2H₁O 60 g/l

diesen Minimalwert des Films für alle Materialien Kobaltsulfat CoSO₄ · 7H₁O 20 g/l

anzugeben. Aus den Versuchen hat sich ergeben daß Ammoniumtaftrat (NH₄)_tC₄H₄O. .. 60 g/l

die minimale Filmstarke bei etwa 5μ hegt. Es ist . ., .. .„ ", -- ,.

jedoch zu beachten, daß diese Dicke keine generelle *₅ /»mmomumchlond NH₄Cl 50 g/l

Grenze für die verschiedenen Materialien darstellt. (ii) Stromdichte 3 A/dm*

Die dünnen metallischen Filme werden durch ,_. j.,. »#«-.»·

Galvanisieren, nichtelektrisches Plattieren, Vakuum- W ^Überzu8 ^aus Mo-Co-Leg.erung

verdampfung, Aufsprühen, Plasmastrahl-Beschichtung (i) Zusammensetzung des Elektrolyts

oder sonstige geeignete Verfahren aufgebracht. Selbst- 30 Natriummolybdat Na_tMoO₄-2H,O 48 g/l

verständlich ist die Oberfläche des nach den oben- Kobaltsulfat CoSO₄ · 7 H.O . . 18 g/l

erwähnten Verfahren gebildeten Films nicht glatt .. . ., _x.. _ _{ττ Λ} ..,

genug, um den flachen Kontakt zwischen den Ober- Natmimcitrat Na.C.H.0, -11/

flächen des leitfähigen Blocks und dem Plättchen her- ^{l H}*^{u 1}^ »'

zustellen; deshalb wird die Oberfläche des Films durch 35 (H) Stromdichte 10A/dm*

weitere Bearbeitung in geeigneter Weise, etwa durch ,__ _fV. ...... .

Reiben, hochpoliert. Als Materialien für den auf die (Q ^Überzue ^aus W-Ni-Legierung

Oberfläche des leitfähigen Blocks aufgetragenen (i) Zusammensetzung des Elektrolyts

dünnen metallischen Film werden vorzugsweise die Natriumwolf ramat Na₁WO₄ · 2H₁O 50 g/l

folgenden Materialien verwendet 40 Nickelsulfat NiSO₄ · 6H₁O 20 g/l

(I) Wolfram, Molybdän, Wolfram-Kobalt-Legie- Zitronensäure C,H_e0₇ 72 g/1

rung, Molybdän-Kobalt-Legierung und Wolf- Der pH-Wert des Elektrolyts wurde durch

ram-Nickel-Legierung. eine wäßrige Ammoniumlösung auf 8,7 ein-

₄₅ gestellt.

GD Legierungen auf Kobalt-Basis wie beispielsweise ^ stromdichte 2 bis 2,5 A/dm»

^(a) 06vS° - 0²4·/° Mn~ ⁶°^{/0 W} ~ ^{1β/β C} ~~ ^Gii) Galvanisiertemperatur etwa 7O^eC.

(b) 59% Co -29%Cr -9% W-1,8% C- Durch Ändern der Zusammensetzung der obigen nao/ c; η 40/ \λ~ 5° Elektrolyten kann man die Zusammensetzung des

U.ö in öl *J)^ /n iVin . , . . ^ . ,

, \ muli- \ini r* „, __cn, aufgalvanisiertcn Films steuern.

(C) 50 /₀ Co — 33 /0 Cr— 13 % W — 2,5 % _{Zm Bildung des FiIms ist der Anteil von} Molybdän

C — 0,8 /o Si — 0,7 /₀ Mn _und wolfram in dem Film vorzugsweise größer

W als 25%.

(d)42bis52%Co-19%Cr-8bis 15%W — ₅₅ Gemäß Fig. 1 ist eine Fläche eines Halbleiter-

1%9 "~ ²'^{5 Ws 3}%Si — 13% Ni — plättchens 2 mittels eines geeigneten Lots 6, beispiels-

1,5 bis 3 % B weise Aluminramlot, auf eine aus Wolfram oder

Diese Materialien haben eine Härte von etwa Molybdän bestehende Basiselektrode 10 aufgelöst, die

750 Hv. ihrerseits durch ein geeignetes Lot 12 wie etwa Goldlot

60 auf einen leitfähigen Block 16 aufgelötet ist, der aus

(ΠΙ) Schnellstähle wie beispielsweise einem Material mit hohen thermischen und elek-

TW Λ01 r η7 0/ r· το/ ν irischen Leitfähigkeiten besteht Die andere Fläche

(a) 14 /₀ W — 4 /₀ Cr — 0,7 /₀ C — 2 /₀ V — _des p_{]attchens 2} ist mit einer beispielsweise aus einer Rest Fe Gold-Kupfer-Gold- oder Gold-Antimon-Legierung

(b) 18% W — 4% Cr — 0,7% C —1,5% V — _6s bestehenden Ohmschen oder auflegierten Hektrode 4 10% Co — Rest Fe versehen. Eine Oberfläche eines auf dem leitfähigen

(c) 22% W — 4% Cr-0,75% C —1,5% V — Block 14 gebildeten dünnen Films 8 steht mit der 2% Mo — Rest Fe Oberfläche der Elektrode 4 m Berührung. Ein Ring-

isolator 18 mit einem Flanschabschnitt ist über Verbindungselement-! 22 und 24 mit einem ringförmigen Dichtelement 20 sowie mit dem leitfähigen Block 16 verbunden. Die Verbindungselemente 22 und 24 sind aufeinander und mit dem Dichtungselement 20 derart verscjweißt, daß sie die Halbleitereinheit 1 luftdicht verschließen.

Die Halbleitereinheit 1 ist zwischen zwei Kühlblöcken 38 gehalten, die mit Rippen 40 versehen sind und über Isolierbolzen 30 und Muttern 36 miteinander verbunden sind. Die Halbleitereinheit 1 und die Kühlblöcke 38 sind durch Federn 34 zusammengedrückt, wodurch zwischen dem Plättchen 2 und dem leitfähigen Block 14 ein hoher Druck erzeugt wird.

Wie in F i g. 2 gezeigt, ist auf der Oberfläche des leitfähigen Blocks 14 ein dünner metallischer Film 8 mit beträchtlich hohem Schmelzpunkt und großer Härte ausgebildet, dessen Oberfläche bearbeitet ist, um insbesondere dann, wenn der Film durch Aufsprühen gebildet ist, eine hochpolierte Oberfläche zu erzielen.

Vorzugsweise ist die Kante des leitfähigen Blocks gegenüber der Oberfläche der auflegierten Elektrode 4 abgerundet, um die Feldstärke in der Nähe der Kante abzumildern oder zu reduzieren, wobei die Kante des Films 8 so geformt ist, daß sie zu den Seitenflächen des leitfähigen Blocks 14 reicht.

An dem in F i g. 1 und 2 gezeigten Halbleiter-Bauelement wurden Versuche durchgeführt. Die Kontaktflächen des leitfähigen Blocks 14 und des Plättchens 2, d. h. des Filmes 8 und der auflegierten Elektrode 4 hatten eine Größe von 5 cm⁴, und es wurde ein Strom von 500 A angelegt. Der Temperaturwechsel betrug etwa 175⁰C. Zur Erzielung dieser Temperaturänderung wurden die Leitfähigkeits- und Kühlbedingungen entsprechend eingestellt.

Die Versuchsergebnisse sind in der nachstehenden Tafel 1 sowie in F i g. 4 bis 6 gezeigt. In der Tafel 1 sind die Proben Nr. 6 und 7 zum Vergleich mit erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelementen angegeben. Die Filmdicke betrug bei den Proben Nr. 1 bis 5 etwa 10 μ.

Tabelle

	Verfahren	Betriebs	Anzahl der	Zustand	Bemerkungen
Probe	der Filmbildung	perioden	unbrauchbar	der Kontaktfläche	kein Abfall der Durch
Nr.	W-Plasmastrahl	50 000	gewordenen Elemente	gut; keine Klebe-	laßspannung, ver
1			<l/5	Erscheinungen	nachlässigbar kleiner
					thermischer Wider
					stand
					kein Abfall der Durch
	Mo-Plasmastrahl	42 000		gut; keine Klebe-	laßspannung, ver
2			<l/5	Erscheinungen	nachlässigbar kleiner
					thermischer Wider
					stand
					kein Abfall der Durch
	auf galvanisierte	60 000		gut; keine Klebe-	laßspannung, ver
3	W-Co-Legierung		<l/5	Erscheinungen	nachlässigbar kleiner
					thermischer Wider
					stand
					kein Abfall der Durch
	auf galvanisierte	55 000		gut; keine Klebe-	laßspannung, ver
4	Mo-Co-Legierung		< 1/5	Erscheinungen	nachlässigbar kleiner
					thermischer Wider
					stand
					kein Abfall der Durch
	auf galvanisierte	40 000		gut; keine Klebe-	laßspannung, ver
5	W-Ni-Legierung		<l/5	Erscheinungen	nachlässigbar kleiner
					thermischer Wider
					stand
					Verschlechterung der
	Raum in der Halb	60(XX)		gut; keine Klebe-	Komponenten
6	leiter-Einheit mit		<l/5	Erscheinungen
	Silikonöl ausgefüllt				Kein Widerstand
	Auf galvanisierter	5000		typisches Kleben	gegen Kleben
7	Ni-FiIm		3/5

In F i g. 4 sind die Ergebnisse von Untersuchungen mit Aufheizungsperioden an zehn Proben von erfindungsgemäßen und konventionellen Halbleiter-Bauelementen dargestellt Die Kurven 52 bis 56 geben die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Elemente wieder, während die Kurve 51 die Ergebnisse von herkömmlichen Bauelementen entsprechend der Probe Nr. 7 in Tabelle 1 zeigt Aus F i g. 4 ergibt sich, daß sämtliche erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelemente gegenüber den herkömmlichen ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich der Aufheizungsperioden aufweisen. In F i g. 5 geben die Kurven 62 bis 66 die Ergebnisse bezüglich der Aufheizungsperioden-Eigenschaf ten der Bauelemente entsprechend den Proben Nr. 1 bis 5 nach Tabelle 1 wieder, während die Kurve 61 die entsprechenden Ergebnisse gemäß der Probe Nr. 7

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darstellt. Den in F i g. 5 gezeigten Ergebnissen ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelemente stabile Wärmebeständigkeit über lange Perioden aufweisen, während die konventionellen Elemente nach etwa 20 000 Aufheizungsperioden unbrauchbar wurden.

In F i g. 6 geben die Kurven 72 bis 76 die Ergebnisse von erfindungsgemäßen Bauelementen entsprechend den Proben Nr. 1 bis 5 wieder, während die Kurve 71 die Ergebnisse von konventionellen Bauelementen gemäß der Probe Nr. 7 darstellt. Wie aus F i g. 6 hervorgeht, ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung bei den erfindungsgemäßen Bauelementen über lange Perioden stabil, während sich die herkömmlichen Bauelemente derart verschlechterten, daß sie nach etwa 20 000 Aufheizungsperioden unbraucli'uar wurden.

Wie den obenerwähnten Tatsachen zu entnehmen ist, weisen die erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelemente ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf die Aufheizungsperioden und das Nicht-Kleben auf. Die herkömmlichen Bauelemente verloren die Gleitfähigkeit zwischen dem leitfähigen Block und dem Plättchen, da an den Kontaktflächen ein starkes Kleben auftrat.

Aus den vorstehenden Ergebnissen ist zu ersehen, daß ein aufgalvanisierter W-Co-Legierungsfilm die besten Eigenschaften bezüglich der Aufheizungsperioden und des Klebewiderstands besitzt.

Aus vielen Versuchen wurde ermittelt, daß diese Eigenschaften bei Halbleiter-Bauelementen des reinen Diffusionstyps dadurch beträchtlich verbessert wurden, daß zwischen dem dünnen Film auf dem leitfähigen Block und der Ohmschen Elektrode auf dem Plättchen eine geeignete Folie vorgesehen wurde.

Dies kommt daher, daß bei Halbleiter-Elementen des Legierungstyps die auf die Oberfläche des Plättchens auflegierte Elektrode einen Störstoff wie etwa Antimon zur Bildung einer PN-Cbergangszone sowie Silicium enthält. Der Störstoff und das Silicium unterstützen den Klebewiderstand. Während des Auflegierens des Elektrodenmaterials, das ein Metall mit guter Ausbreitungseigenschaft und guter thermischer Leitfähigkeit sowie einen Störstoff wie etwa Antimon umfaßt, diffundiert Silicium in die Elektrode, wobei feine, harte Siliciumkörner sowie eine Metallverbindung wie etwa AuSb₂ dispergieren. Bei Halbleiter-Bauelementen des Legierungstyps läßt sich deshalb das unerwünschte Kleben insofern in ausreichendem Maße verhindern, als nur ein schwaches Kleben stattfindet.

Andererseits hat man festgestellt, daß bei Halbleiter-Bauelementen des reinen Diffusionstyps die auf der Oberfläche des Plättchens ausgebildete Ohmsche Elektrode kein Silicium und keine Störstoffe v. ie Antimon enthält und daß daher bei derartigen Bauelementen das zwischen dem Film und der Ohmschen Elektrode hervorgerufene Kleben oft stark ist.

Um ein solches starkes Kleben zu verhindern, wird gemäß F i g. 3 eine geeignete Klebe-Widerstandsfol^;e zwischen den Film und die Ohmsche Elektrode eingelegt.

Wie oben ausgeführt, kann das unerwünschte Kleben durch gegenseitiges Aufschmelzen zwischen dem leitfähigen Block und der Ohmschen Elektrode auf dem Plättchen bewirkt werden. Ist das Kleben sehr schwach, so werden die Nicht-Klebeeigenschaften verbessert. Auch aus diesem Gesichtspunkt ist also die Einfügung der nichtklebenden spröden Folie zweckmäßig.

An Hand von Versuchen hat man festgestellt, daß die folgenden Materialien als Klebe-Widerstandsü folien geeignet sind.

(1) Legierungen auf Gold-Basis, wie etwa Au — 10°/₀ Si, Au — 5% Te, Au — 0,1% Si — 10%, Sb, Au — 7% Si — 1 °/₀ Sb, Au — 6°/₀ Si - 1 % Sb, Au-I % Sb, Au 6% Si, Au — Sn, Au — Th, Au - Zn, Au — In, Au — Be, Au — Pb usw.

Bei den obigen Legierungen bilden Zusatzelemente wie etwa Si, ^Tn, Sb, Te. Th, Zn, Sn, Be und Pb feine Körner in der Goldmatrix, was eine nicht klebende Schicht ergibt. Im Falle von Sb, Te, In, Sn, Th, Zn, Be und Pb werden in der Matrix harte Metallverbindungen wie etwa AuSb₂, AuTe₂, Au₃Th, Au₃Be, Au₃Zn, Au₇In₃, AuPb, AuSn gebildet.
(H) Legierungen auf Kupferbasis wie etwa Cu-Zn-Legierungen, Cu-Sn-P-Legierungen, Cu-Nb-Legierungen. Als Cu-Zn-Legierungen kann die Legierung 58°/₀ Cu — 35⁰Z₀Zn — 4°/₀ Mn — 2% Si — 1 ⁰I₀ Al verwendet werden, als Cu-Sn-P- *5 Legierung die Legierung Cu — 10°/₀Sn — 0.2⁰Z₀P, bei der als Metallverbindungen Cu₃Sn₁, Cu₄Sn, Cu₃P gebildet werden. Bei den Cu-Nb-Legierungen sind Cu₂Nb-Körner in der Kupfermatrix dispergiert.

Beispiel 1

Es wurde ein Silicium-Gleichrichter mit einer Halbleiter-Einheit gemäß F i g. 3 gebaut. Das Plättchen 2 hatte 33 mm Durchmesser und 0,36 mm Dicke; die Basiselektrode 10 aus Wolfram hatte 33 mm Durchmesser und 2,5 mm Dicke; und die leitfähigen Blöcke 14 und 16 bestanden aus Kupfer mit einem Silbergehalt von 0,06 ⁰I₀. Die Basiselektrode 10 und das Plättchen 2 waren mittels Gold- bzw. Silberlot an den leitfähigen Block 16 angeschweißt.

Der dünne Film wurde durch Galvanisieren unter Verwendung eines Elektrolyten gebildet, der 60 g pro Liter Na₂WO₄-2 H₂O, 20 g pro Liter CoSO₄-7H₂O, 60 g pro Liter (NH₁)JC₄H₄O₆ und 50 g pro Liter NH₄Cl enthielt. Der Elektrolyt hatte einen pH-Wert von 8,7. Die Galvanisierung fand bei einer Stromdichte von 3 A/dm⁸ und einer Temperatur von 75⁰C statt. Der gebildete Film hatte eine Dicke von etwa 15 μ und eine Härte von 410 Hv.

Auf die Oberfläche der auf dem Plättchen 2 gebildeten Ohmschen Elektrode 4, die dünne Schichten von Gold, Kupfer und Gold umfaßte, wurde eine Klebe-Widerstandsfolie 44 aufgelegt, die aus einer Au — 1 %-Sb-Legierung bestand und eine Dicke von 100 μ aufwies. Die Folie war durch rasches Abkühlen des geschmolzenen Metalls auf einer wassergekühlten Kupferplatte hergestellt worden. In der Matrix des so erzeugten Materials waren AuSb₂-Körner fein und homogen dispersiert.

Beispiel 2

Der dünne Film 8 aus W-Co-Legierung wurde auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt

Von einer Legierung, die aus 7°/₀Si, I⁰I₀Sb und dem Rest Au bestand, wurde eine Klebe-Widerstand sf olie 44 mit einer Dicke von 100 μ hergestellt. D as aus dieser Legierung bestehende geschmolzene Meta wurde auf einer wassergekühlten Kupferplatte rase

abgekühlt, wodurch ein Material erzeugt wurde, in dem Körner von Si und AuSb₂ homogen verteilt waren. Die so hergestellte Folie wurde auf das Plättchen aufgelegt.

Mit den gemäß Beispiel 1 und 2 hergestellten Halbleiter-Bauelementen wurden ErIiitzungsperioden-Versuche durchgeführt. Dabei betrugen die verwendete Stromstärke 500 A und der TemperLiurweehsel 175⁰C. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 2

	Zahl der Erhitzungs perioden	unbrauchbare Bauelemente	Bemerkungen
Beispiel 1	60 000	keine	geringer Abfall der Durch
			laßspannung, geringer Wär
			mewiderstand, kein Kleben
Beispiel 2	60 000	keine	geringer Abfall der Durch-
			laßspannung, geringer Wär
			mewiderstand, kein Kleben
Vergleichsbeispiel 1	50 000	<l/5	leichtes Kleben
Vergleichsbeispiel 2	5 000	3/5	Kleben

In Tabelle 2 entspricht das Bauelement des Vergleichsbeispiels 1 dem der Proben 1 bis 5 der Tabelle 1; das Plättchen des Bauelements nach Vergleichsbeispiel 1 gehört also nicht dem Legierungstyp sondern dem reinen Diffusionstyp an, und die Ohmsche Elektrode 4 ist daher eine Kombination eines aufgedampften Au-Cu-Au-Films und eines aufgalvanisierten Au-Films. Ähnlich gehört auch das Plättchen in dem Bauelement des Vergleichsbeispiels 2 dem reinen Diffusionstyp an.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, haben erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelemente ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich des Nichtklebens und der Erhitzungsperioden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

2462 *^Γ

Claims (2)

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement _ . mit einem Halbleiterplättchen, das mindestens einen Patentansprüche: pn-übergang enthält, an dessen einer Fläche eine Basiselektrode befestigt ist, deren thermischer Aus-

1. Halbleiter-Bauelement mit einem Halbleiter- 5 dehnungakoeffizient etwa gleich dem des Plättchens plättchen, das mindestens einen pn-übergang ist, und an dessen anderer Fläche eine an dem Plättenthält, an dessen einer Fläche eine Basiselektrode chen haftende Elektrode mit hochglatter Oberfläche befestigt ist, deren thermischer Ausdehnungs- vorgesehen ist, ferner mit einem an der Basiselektrode koeffizient etwa gleich dem des Plättchens ist, befestigten ersten leitfähigen Block, einem zweiten und an dessen anderer Fläche eine an das Plättchen ίο leitfähigen Block mit ebener Oberfläche, ferner mit legierte Elektrode mit hochglatter Oberfläche vor- einer Dichtungsanordnung, die das Plättchen vollgesehen ist, ferner mit einem an einer Fläche der ständig gegen die Atmosphäre abdichtet und die Basiselektrode befestigten ersten leitfähigen Block, leitfähigen Blöcke gegeneinander elektrisch isoliert, einem zweiten leitfähigen Block mit ebener Ober- einer gegen die Außenflächen der leitfähigen Blöcke fläche, die mit der Oberfläche der Legierungs- 15 gedrückten Kühlanordnung sowie einer Einrichtung, elektrode ir. Kontakt steht, ferner mit einer Dich- die die leitfähigen Blöcke gegen die dazwischen betungsanordnung, die das Plättchen vollständig findlichen Elektroden und das Halbleiterplättchen gegen Atmosphäre abdichtet und die leitfähigen drückt.

Blöcke gegeneinander elektrisch isoliert, einer Die schweizerische Patentschrift 384 080 zeigt einen

gegen die Außenflächen der leitfähigen Blöcke 20 Aufbau für Halbleiterelemente, bei denen die Kongedrückten Kühlanordnung sowie einer Einrich- takte im Gegensatz zu dem obenerwähnten Typ, tung, die die leitfähigen Blöcke über die Legie- auf den sich die Erfindung bezieht, nicht durch rungselektrode und die Basiselektrode gegen das Druckkräfte sob dem, durch Verlötungen gewähr-Plättchen drückt, dadurchgekennzeich- leistet sind. Bei einem derartigen Aufbau sind Gleitnet, daß die der Legierungselektrode (4) züge- 25 bewegungen zwischen einander benachbarten Oberwandte Oberfläche des zweiten leitfähigen Blocks flächen der verschiedenen Schichten zur Kompen-(14) mit einem etwa 5 bis 200 μ starken metalli- sation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsschen Film (8) überzogen <st, der beträchtlich koeffizienten des Halbleiters einerseits und der leithöheren Schmelzpunkt und größere Härte auf- fähigen Blöcke andererseits nicht möglich. Infolge weist als der zweite leitfähig' Block, so daß die 30 von periodischen Wärmeschwankungen treten an Oberflächen des dünnen metallischen Films und den Verlötungen Spannungen auf, die zum Bruch des der Legierungselektrode gleitend und ohne un- Halbleiterplättchens führen.

erwünschtes Kleben zwischen dem zweiten leit- Man hat deshalb Halbleiter-Bauelemente des Kom-

fähigen Block und der Legierungselektrode gegen- pressionstyps gebaut, bei denen die mit dem Plättchen einandergedrückt sind. 35 in Berührung stehenden leitfät j^en Blöcke nicht an

2. Halbleiter-Bauelement mit einem Halbleiter- der Basiselektrode befestigt sind und daher zwischen plättchen, das mindestens einen pn-übergang der Elektrode und dem Block Gleitbewegungen zum enthält, an dessen einer Fläche eine Basiselektrode Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen mögbefestigt ist, deren thermischer Ausdehnungs- Hch sind. Aus der britischen Patentschrift 1 024 633 koeffizient etwa gleich dem des Plättchens ist, und 40 und aus der deutschen Patentschrift 1 170 558 sind an dessen anderer Fläche eine an dem Plättchen derartige Halbleiter-Elemente bekannt; diese Elemente haftende ohmische Elektrode mit hochglatter sind für Hochleistungsbetrieb gedacht, bei dem hohe Oberfläche vorgesehen ist, ferner mit einem an Ströme und hohe Spannungen an dem Halblevterder Basiselektrode befestigten ersten leitfähigen plättchen auftreten. Dieses Plättchen muß daher Block, einem zweiten leitfähigen Block mit hoch- 45 große Flächen haben. Beispielsweise hat ein Plättchen glatter Oberfläche, einer Dichtungsanordnung, die für Halbleiterelemente, die bis zu 100 Ampere einsatzdas Plättchen vollständig gegen die Atmosphäre fähig sein sollen, normalerweise eine Dicke von 0,25 abdichtet und die leitfähigen Blöcke gegeneinander min und einen Durchmesser von 13 mm. Die Dicke elektrisch isoliert, einer gegen die Außenflächen des Plättchens soll möglichst klein sein, um den der leitfähigen Blöcke gedrückten Kühlanordnung 5» Durchlaßwiderstand des Halbleitermaterials mögsowie einer Einrichtung, die die leitfähigen Blöcke liehst klein zu halten, während der Durchmesser des gegen das Plättchen und die ohmische Elektrode Plättchens möglichst groß sein soll, um die auftretendrückt, dadurch gekennzeichnet, daß die der ohmi- den Stromstärken zu bewältigen. Die beiden für sehen Elektrode (4) zugewandte Oberfläche des Halbleiter gebräuchlichsten Materialien, nämlich Gerzweiten leitfähigen Blocks (14) mit einem 5 bis 55 manium und Silizium, sind jedoch spröde, so daß 200 μ starken metallischen Film (8) überzogen ist, derart dünne und relativ große Plättchen aus diesem der beträchtlich höheren Schmelzpunkt und grö- Material außerordentlich brüchig sind. Die Erfahrung ßere Härte aufweist als der zweite leitfähige Block, lehrt, daß zur Erzielung eines ausreichenden Kon- und daß zwischen den dünnen metallischen Film taktes, d. h. für genügend kleinen thermischen und und die ohmische Elektrode eine spröde Metall- 60 elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Halbfolie (44) mit im wesentlichen ebenen Oberflächen leiterplättehen der genannten Größe und den leit eingefügt ist, so daß der zweite leitfähige Block fähigen Blöcken, eine Druckkraft von mindestens und das Plättchen (2) längs den in Kontakt 75 kg erforderlich ist. Man sieht, daß die Bruchgefahr stehenden Oberflächen gleitend zusammengedrückt des beschriebenen dünnen und spröden Halbleitersind. 65 plättchens bei derartigen Drücken außerordentlich

hoch ist. Die beiden hier betrachteten Ausführungsformen weisen keinerlei Stütze für das Halbleiterplättchen auf. Vielmehr ist das Halbleiterplättchen in