DE2035252A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Paiksiiaße 13 -^¹-

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkristall, der einen ausgedehnten Oberflächenabschnitt aufweist, auf dem ein metallischer Stromleiter angebracht ist und mit einem metallischen Kühlkörper, der die in dem Halbleiter erzeugte und über den Oberflächenabschnitt und den zugeordneten Metalleiter nach außen geführte Wärme aufnimmt.

Bei Halbleiterbauelementen, die große Ströme führen, beispielsweise Leistungstransistoren, Gleichrichter, Thyristoren usw., ist die elektrische Leistung durch die Verlustleistung oder Wärmeentwicklung, die infolge der inneren Widerstände auftritt, begrenzt. Überhöhte Innentemperaturen wirken sich auf die Funktion des elektrisch aktiven Halbleiterkristalls schädlich aus.

Um die Temperatur des Halbleiterkristalls so klein wie möglich zu halten, ist es bekannt, einen beträchtlichen Oberflächenabschnitt des Halbleiterkristall mit einem

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gut leitenden metallischen Kühlkörper zu versehen, den man wiederum leicht mit einer Befestigungsvorrichtung verbinden kann, beispielsweise mit dem Chassis, einen /lahmen oder einem anderen Wärmeaustauscher. Der in das Halbleiterbauelement eingearbeitete Kühlkörper dient nicht nur zur Wärmeabfuhr, sondern auch als Spannungs- oder Stromzuleitung.

Bei vielen Anwendungszwecken ist es nicht erwünscht, daß zwischen der wärmeabführenden Befestigungsvorrichtung und dem Halbleiterbauelement eine elektrische Verbindung besteht. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, zwischen der Kristalloberfläche des zu kühlenden Halbleiters und der Befestigungsvorrichtung eine dielektrische Trennanordnung oder Trennschicht anzuordnen, die thermisch gut leitet, jedoch elektrisch isoliert. Solche dielektrischen Trennanordnungen müssen eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und bestehen aus diesem Grunde aus Keramikkörpern mit Beryllerde (BeO) oder aus einem Diamant. Die mit Diamanten verbundenen hohen Kosten lassen jedoch einen kommerziellen Gebrauch nicht zu. Die kommerzielle Verwendung von Beryllerde ist infolge der Giftigkeit bestimmter Arten ebenfalls begrenzt. Die Entgiftung dieser Stoffe würde ebenfalls zu hohen Kosten führen. Aus diesem Grunde werden anstelle von Beryllerde zahlreiche billige dielektrische Materialien benutzt. Diese Materialien haben jedoch im Vergleich zu Beryllerde eine verhältnismäßig geringe thermische Leitfähigkeit. So beträgt beispielsweise die thermische Leitfähigkeit von Beryllerde 2,6 bis 3,1 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin, wohingegen Aluminiumoder Tonerde, die anstelle von Beryllerde Verwendung findet, eine thermische Leitfähigkeit von lediglich 0,35 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin in monokristalliner Fora und 0,3 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin in polykristalliner Form aufweist. Die Schwierigkeiten, die sich bei der Verwendung von Aluminiumerde auf tun, kann man am bs-

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sten daran sehen, daß Kupfer, das als Kühlkörper am meisten Verwendung findet, eine thermische Leitfähigkeit von 4,0 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin hat.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein billiges, in üblicher V/eise hergestelltes Halbleiterbauelement mit einem elektrisch isolierten Kühlkörper zu schaffen, der die im Inneren des Kalbleiters erzeugte Wärmemenge besser abführen kann. Die Aufgabe der Erfindung wird daher im besonderen darin gesehen, ein Kalbleiterbauelement mit einer dielektrischen Trennanordnung zu schaffen, die einen besseren Wärmeübergang von dem Kristall zum Kühlkörper gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Halbleiterbauelement nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine zwischen des Kühlkörper und dem Metalleiter angeordnexe dielektrische Trenneinrichtung in wesentlich aus Aluminiumnitrid besteht.

Die dielektrische Trennanordiiung ist vorzugsweise als einheitliche Aluminiumnitridschicht ausgebildet. Die Schicht hax eine Dichte von mehr als SCSa der theoretischen Dichte von Aluminiumriixrid. Bei Zimmertemperatur beträgt die thermische Leitfähigkeit einer solchen Schicht mehr als 0,5 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin. Der spezifische elektrische "Widerstand ist großer als 10 Chmzentimeter. Um die thermische Leitfähigkeit weiter zu verbessern, besteht die einheitliche Schicht vorzugsweise ia wesentlichen aus einphasigem Aluminiumnitrid. Zur Erzielung einer maximalen thermischen Leitfähigkeit wird nach der Erfindung eine einheitliche Schicht vorgeschlagen, die im wesentlichen aus monokristallinem Aluminiumnitrid besteht.

Wertere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben. .

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Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines nach der Erfindung aufgebauten Halbleiter-Bauelements.

Fig. 2 zeigt teilweise im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Halbleiter-Bauelement 100 mit einem Halbleiterkristall 102, der eine Zone 104 des einen Leitungstyps und eine Zone 106 des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist. Zwischen diesen Zonen befindet sich eine Übergangszone 108, die gestrichelt eingezeichnet ist. Der Halbleiterkristall weist eine Hauptoberfläche 110 und eine weitere Hauptoberfläche 112 auf, die etwa parallel zueinander verlaufen. Die beiden Hauptflächen bilden die Unter- und Oberseite des Kristalls. Die beiden Hauptoberflächen stellen nahezu die gesamte Außenoberfläche des Kristalls dar, weil die Kristallstärke im allgemeinen sehr gering ist, selten mehr als 0,3 mm (20 mils). Zur besseren Übersicht ist in der Darstellung nach Fig. 1 die Kristallstärke übertrieben stark eingezeichnet.

Die gesamte Hauptoberfläche 110 ist mit einer thermisch stark leitenden Klebemittelanordnung 114 bedeckt, die schematisch als einheitliche Schicht dargestellt ist, die den Kristall mit einem aus einem Stück ausgebildeten metallischen Stromsammei- und Stromanschluß 116 verbindet· Der Anschluß 116 wird in üblicher Weise aus einem Metall hergestellt, das sowohl thermisch als auch elektrisch stark leitend ist. Im allgemeinen wird Kupfer gewählt. Der Stromsammelanschluß ist derart ausgebildet, daß er die gesamte Hauptoberfläche 110 bedeckt. Der Stromsammler kann aber auch lediglich den größten Teil der Hauptoberfläche bedecken und nach ionen zu Abstände aufweisen, allerdings nicht am Stromleitungsanschluß, insbesondere nicht am Rand des Leitungsanschlusses.

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Auf der Unterseite des Stromsamralers 116 ist eine dielektrische Trennschichtanordnung 118 aufgebracht. Die dielektrische Trennschichtanordnung kann aus einem einzigen einheitlichen Körper oder einer einzigen Schicht bestehen, die im wesentlichen Aluminiumnitrid enthält, wie noch beschrieben wird. Die dielektrische Trennschichtanordnung kann aber auch einen solchen einheitlichen Körper oder eine solche einheitliche Schicht und weitere herkömmliche thermisch leitende Dielektrika enthalten» beispielsweise Beryll- und bzw» oder Tonerde. Unter der dielektrischen Trennschicht befindet sich ein metallischer Kühlkörper 120 mit einer ausgedehnten ebenen Oberfläche. Klebemitteloder Verbindungsanordnungen 122 und 124, die der Klebemittelanordnung 114 ähnlich sein können, sorgen für einen thermisch stark leitenden Wärmeübertragungsweg vom Stromsammler 116 zur dielektrischen Trennschicht und von der dielektrischen Trennschicht zum Kühlkörper. Der Kühlkörper weist ein mit dem übrigen Kühlkörper aus einem Stück hergestellten Anschlußabschnitt 126 auf, der sich seitlich von dem Halbleiterkristall und der dielektrischen Trennschicht nach außen erstreckt. Der Anschlußabschnitt 126 weist eine Öffnung 128 auf, die die Befestigung des Kühlkörpers an einem herkömmlichen wärmeaufnehmenden Montagerahmen erleichtern soll. Auf der Hauptoberfläche 112 des Halbleiterkristalls ist ebenfalls ein einstückig ausgebildeter Stromsammei- und Stromleitungsanschluß 130 angeordnet, der über eine Klebemittelanordnung 132 mit dem' Halbleiterkristall verbunden ist. Die Klebemittelanordnung 132 kann in ihrem Aufbau den Klebe- oder Verbindungsschichten 114,120 und bzw. oder 124 entsprechen. Der Stromsammler bedeckt die gesamte Hauptoberfläche 112 des Halbleiterkristalls . Der Stromsammler kann aber auch Abstände aufweisen und nur den größten Teil der Hauptoberfläche bedecken, allerdings nicht am Anschlußabschnitt und insbesondere nicht an dessen Rand. Der Leitungsanschluß 134 des Stromsammlers ist an der Stelle 136 von der Ebene des Stromsammlers 130

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in die Ebene des Stronsaimnlers 116 abgesetzt, so daß die Anschlüsse des Halbleiter-Bauelements planparaliel verlaufen und etwa parallel zum Kühlkörper angeordnet sind. Um den übergang des Halbleiterkristalls gegenüber Verunreinigungen zu schützen, ist der durch die Klebeniittelschichten nicht bedeckte Rand des Halbleiterkristalls nit einer dielektrischen Passivierungsschicht 138 überzogen. Die Passivierungsschicht besteht vorzugsweise aus Glas. Sie kann aber auch aus einem anderen üblichen Passivierungsstoff hergestellt sein. Die Passivierungsschicht sowie die Anschlüsse und der Kühlkörper sind mit einem abdichtenden dielektrischen Gußgehäuse umgeben, das beispielsweise aus Silicon-, Epoxyd- oder Phenolharz hergestellt ist.

In Fig. 2 ist ein weiteres nach der Erfindung hergestelltes Halbleiter-Bauelement dargestellt. Dieses Bauelement'enthält einen Halbleiterkristall 202, bei dem es sieh beispielsweise um eine herkömmlich abgeschrägte, vierschichtige Thyristorscheibe mit drei Übergangszonen handeln kann. Die untere Hauptoberfläche des Kristalls, die im allgemeinen die Anodenoberfläche darstellt, ist über eine Klebemittelanordnung 206 thermisch und elektrisch leitend mit einem metallischen Gehäuse oder einem Stromsammler 204 verbunden. Die Klebemittelanordnung ist der Einfachheit halber als eine einzige Schicht dargestellt. Mit dem leitenden Gehäuse ist ein Anschlußstück 208 leitend verbunden. Eine obere Anschlußanordnung 210 und eine Steueranschlußanordnung 212 sind an der oberen Emitter- bzw. Basisschicht an der oberen Hauptoberfläche des Halbleiterkristalls befestigt. Bei der Emitterschicht handelt es sich im allgemeinen um die Katodenemitterschicht und bei der Basisschicht um die Katodenbasisschicht. Die Befestigung der Anschlüsse an den Schichten ist in üblicher Weise ausgeführt. Eine obere Hauptanschlußleitung 214 verbindet die obere Anschluß- oder Kontaktanordnung mit einem Hauptanschlußstück 214. Eine Steuerleitung 218 verbindet in

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ähnlicher Weise die Steueranschluß- oder Steueranschlußkontaktanordnung mit einem Steueranschlußstück 220. Ein GehäUGoabschnitt 222 aus Isoliermaterial isoliert das Steuer- von dem Katodenanschlußstück und diese beiden Anschiu3stücke von dec leitenden Gehäuseabschnitt, der zu— sainnven mit dem Isolierabschnitt 222 den Halbleiterkristall hercethisch abschließt.

Um die Yiär;:.^cbfuhr aus den Kalbleiterkristall zu erleichtern, ist eine metallischer Kühlkörper 224 mit einer ebenen Oberfläche 226 und einem Gewindebolzen 228 vorgesehen. Mittels des Gewindebolzens kann das Halbleiter-Bauelement an einem herkömmlichen wärmeaufnehmenden Befestigungsrahmen angebracht werden. Um den Kühlkörper von dem Halbleiterkristall elektrisch zu isolieren, ist zwischen der ebenen Oberfläche des Kühlkörpers und dem leitenden Gehäuseabschnitt eine dielektrische Trennanordnung 230 vorgesehen. Die dielektrische Trennanordnung kann in ähnlicher'Weise wie die dielektrische Trennanordnung 118 aufgebaut sein. Thermisch und elektrisch leitende Klebeanordnungen 232 und 234 verbinden die dielektrische Trennschicht mit dem leitenden Gehäuseteil und der ebenen Oberfläche des Kühlkörpers.

Die dargestellten Halbleiter-Bauelemente 100 und 200, die einen bevorzugten Aufbau zeigen, können innerhalb des Rahmens der Erfindung beträchtlich abgeändert werden. So kann man beispielsweise bei dea Kalbleiter-Baueleaent 100 anstelle des Kalbleiterkristalls mit einer einzigen übergangszone einen Halbleiterkristail mit drei Schichten und zwei Obergangszonen verwenden. Solche Halbleiterkristalle finden in allgemeinen Anwendung in Leistungstransistoren. ' Der Kalbleiterkristali kann aber auch aus vier Schichten mit drei Übergangszonen bestehen. Solche Halbleiterkristalle werden im allgemeinen für gesteuerte Gleichrichter benutzt. Es kann sich aber auch us einen Halbleiterkristall

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aus vier Schichten mit vier Übergangszonen handeln. Solche Kristalle werden für handelsübliche Triacs verwendet. Falls ein Kristall benutzt wird, der zusätzlich zu den Leistungsanschlüssen einen Steueranschluß aufweist, kann die Anschlußbefestigung in einfacher Weise dadurch vorgenommen werden, daß diejenige Oberfläche des Kristalls, die der zweite Stromsammler überdeckt, begrenzt wird und in seitlichem Abstand davon ein weiterer Stromsammler angeordnet wird, der einem Steuerabschnitt der zweiten Hauptoberfläche des Kristalls zugeordnet ist. Der für das Bauelement 200 beschriebene Kristall kann in gleicher Weise durch andere Kristalle ersetzt werden, beispielsweise auch durch einen Kristall, der lediglich eine einzige Übergangszone aufweist. Falls ein solcher Kristall mit einer einzigen Übergangszone verwendet wird," können die Steuerkontaktanordnung und der Steueranschluß weggelassen werden. Die Hauptstrom-Kontaktanordnung 210 würde dann einen größeren Abschnitt der oberen Kristalloberfläche bedecken. Obwohl bei dem Bauelement 100 der Stromsammler und die Stromleitung aus einem Stück hergestellt sind, kann man auch andere Zuleitungs- und Stromsammleranordnungen benutzen.

Die Halbleiter-Bauelemente 100 und 200 können in einem Durchlaßzustand betrieben v/erden, bei dem die dem Bauelement zugeführte elektrische Energie intern zwischen den Anschlüssen und Stromsammeielektroden übertragen wird. Unabhängig von dem Wirkungsgrad, mit dem ein solches Element arbeitet, treten stets bei der internen Energieübertragung interne Spannungsabfälle auf. Diese Spannungsabfälle sind vor allem auf den Widerstand des Halbleiterkristalls und in geringerem Maße auf den Widerstand der Anschluß- und Klebeanordnungen zurückzuführen. Um die durch die Spannungsabfälle erzeugte Wärme aus dem Halbleiterkristall abzuführen und um den Halbleiterkristall auf einer stabilen Betriebstemperatur zu halten, muß die Wärme von der einen Hauptoberfläche des Kristalls in Reihe über

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drei Klebemittelanordnungen, einen metallischen Stromsammler, eine dielektrische Trennschicht .und einen metallischen Kühlkörper geleitet werden. Diese Anordnungen, Schichten oder Körper können mit Ausnahme der dielektrischen Trennanordnung unter Verwendung von Metallen hergestellt werden, die eine" hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die erheblich niedrigere thermische Leitfähigkeit der dielektrischen Trennanordnung begrenzt die Yiärmeabfuhrgeschwindigkeit aus dem Halbleiterkristall und damit die maximale Nennleistung des Halbleiter-Bauelements,

Einer der Hauptgesichtspunkte der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die dielektrische Trennanordnung ein einheitlicher Körper oder eine einheitliche Schicht aus Aluminiumnitrid ist, die die elektrisch leitenden Teile des Halbleiterkristalls von dem Kühlkörper elektrisch trennt. Aluminiumnitrid bietet den Vorteil, daß es sich der außerordentlich hohen thermischen Leitfähigkeit von Beryllerde und Diamant stärker nähert als andere bekannte dielektrische Materialien, beispielsweise Tonerde oder Aluminiumoxid. Gleichzeitig werden die verhältnismäßig hohen Kosten und Schwierigkeiten vermieden, die bei der Verwendung von •Beryllerde und Diamant auftreten.

Es hat sich gezeigt, daß kohärente Körper aus im wesentlichen einphasigen Aluminiumnitridpulvern eine äußerst wünschenswerte Kombination von Eigenschaften für thermisch leitende dielektrische Trennanordnungen haben, wenn die sich ergebenden Körper eine Dichte von mehr als 80% der theoretischen Dichte (obwohl höhere Dichten bevorzugt wer-,den) aufweisen und die Körper aus Pulvern hergestellt sind, die sich aus mehr als 95 Gewichtsprozent Aluminiumnitrid zusammensetzen* Einzelne Kristallkörper aus Aluminiumnitrid weisen, noch bessere Eigenschaften auf.

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So zeigen heißgepreßte Körper, die sich der theoretischen Dichte nähern, jedoch aus einem handelsüblichen Pulver mit einem minimalen Aluminiumnitridgehalt von 94 Gewichtsprozent hergestellt sind, eine thermische Leitfähigkeit von nur etwa 0,3 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin bei Zimmertemperatur oder weniger. Ähnliche Körper mit Dichten von etwa 97?o der theoretischen Dichte, die jedoch aus einphasigen Pulvern hergestellt sind, was man durch Röntgen-, Fluoreszenz- und Diffraktionsanalysen feststellen kann, und die sich aus etwa 99 Gewichtsprozent Aluminiumnitrid zusammensetzen, weisen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,6 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin bei Zimmertemperatur auf. Ein einzelner Kristallkörper aus Aluminiumnitrid von mittelmäßiger Reinheit zeigt bei Zimmertemperatur eine thermische Leitfähigkeit von etwa 1,95 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin* Der spezifische elektrische Widerstand von Aluminiumnitrid beträgt hinge-

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gen mehr als 10 Ohmz'entimeter» Zur elektrischen Isolation von Halbleiterelementen ist ein solcher Wert 'mehr als genug.

Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen nach der Erfindung werden zwischen den benachbarten Schichten Klebe- oder Verbindungsanordnungen angeordnet» um die thermische Leitfähigkeit zwischen den einzelnen Elementen zu verbessern. Bei manchen Bauarten, beispielsweise bei Preßpackungen oder durch Druck verklebten, verbundenen oder zusammengehaltenen Verkapselungen, können Verbindungsanordnungen in beschränktem Maße benutzt oder vollständig weggelassen werden, da die einander gegenüberliegenden Hauptflächen der aufeinandergestapelten Elemente des Halbleiter-Bauelements durch Druckkräfte zusammengehalten werden. Bei den Halbleiter-Bauelementen 100 und 200 können übliche Verbindungsanordnungen benutzt werden. Die dem Halbleiterkristall zugeordneten Yertoiadungsaaordnungen. sind also übliche'VerMndungsanordnungen, die für

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Halbleiter Verwendung finden. Die der .dielektrischen-'Trennanordnung aus Aluminiumnitrid zugeordneten Verbindungsanordnungen sind hingegen solche üblichen Verbindungsanordnungen, die für dielektrische ¹I rennschichten aus Beryllerde oder Ton- bzw. Aluminiuiaerde verwendet werden.

Uni den Aufbau des Halbleiter-Bauelements zu erleichtern, ist es in vielen Fällen erwünscht, identische Verbindungsanordnungen sowohl für die dielektrische Trennanordnung als auch für den Halbleiterkristall zu benutzen. In Anbetracht der großen Unterschiede zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten des Halbleiterkristalls und den Körpern oder Schichten aus Aluminiumnitrid, die beide sehr gering sind, und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der meisten Kühlkörper und Anschlußmetalle, die beide ziemlich hoch sind, wird die Verbindung oder Verklebung zwischen der Kristalloberfläche oder dem Aluminiumnitridkörper und dem daran angrenzenden Metallelement vorzugsweise mittels einer dünnen Oberflächenmetallisierung des Aluminiuanitrids oder des Halbleiterkristalls ausgeführt. Die Metallisierung kann eine oder mehrere Schichten enthalten, auf denen ein herkömmliches Weichlot angebracht wird. Bei normalen Umgebungsbedingungen soll ein solches Weichlot einen Elastizitätsmodul von weniger als 0,77*10 Kilopond pro Quadratzentimeter (1,1*10 psi) haben. Durch die Oberflächenmetallisierung wird eine feste Verbindung des Weichlots mit dem Aluminiumnitridkörper oder dera Halbleiterkristall sichergestellt. Gleichzeitig nimmt das Weichlot Spannungen auf, die infolge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Elemente auftreten.

Bei einer besonderen Ausführungsform einer Verkittungs- oder Verbindungsanordnung, die sowohl für Aluminiumnitridkörper als auch für Halbleiterkristalle geeignet ist, werden die entgegengesetzten ?:auptoberflächen der dielektrischen Trennanordnung und des Halbleiterkristalls mit einer

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Kontaktmetallisierung versehen. Zu diesem Zweck wird im Vakuum eine dünne Schicht aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Chrom, Wolfram oder Molybdän, aufgebracht. Dieser Schicht folgt eine dünne Schicht aus Nikkei und eine weitere dünne Schicht aus Silber. Dabei genügt für die hochschmelzende Metallschicht aus Chrom, Wolfram oder Molybdän eine Schichtstärke von 300 bis

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5000 A₁ für die Schicht aus Nickel eine Schichtstärke von

1000 bis 10000 A und für die Silberschicht eine Schicht-

stärke von mehr als 1000 A. Als nächstes wird ein herkömmliches Weichlot aufgebracht, das in der Lage ist mit Silber eine Legierung zu bilden. Solche Weichlote sind beispielsweise Blei-Zinn, Blei-Zinn-Indium, Blei-Zinn-Silber, Blei-Antimon usw. Das Weichlot verbindet sich direkt mit den Anschlüssen und dem Kühlkörper sowie mit den, kontaktmetallisierten Flächen.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel des Bauelements 100 ist anstelle des Halbleiterkristalls mit einer einzigen Ubergangszone ein Triac-Silicium-Kristall vorhanden, der fünf Schichten mit vier Übergangszonen aufweist. Solche Kristalle werden in handelsüblichen Triacs verwendet. Der Triackristall ist 0,2 mm (8 mils) stark und an einem Rand 3,6 mm (150 mils). Eine dielektrische Trennanordnung aus Aluminiumnitrid hat eine Stärke von 1,1 mm (44 mils) und an einem Rand ebenfalls von 3,8 mm (150 mils). Der Aluminiumnitridkörper hat eine Dichte von mehr als 80% der theoretischen Dichte und einen spezifischen Wideretand

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von mehr als 10 Ohmzentimeter. Bei der Herstellung dieses Halbleiter-Bauelements nach der Erfindung werden die Hauptoberflächen der dielektrischen Trennanordnung und des Halbleiterkristalls in einer Verdampfungsanlage bei Hoch-, vakuum, um eine Verunreinigung durch Oxydation der Nickelschicht zu vermeiden, mit einer Chrom-Nickel-Silber-Oberflächenmetallisierung versehen. Die Chromschicht 1st direkt mit der Kristalloberfläche und der dielektrischen

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Trennkörperfläche verbunden. Diese Chromschichten haben eine Stärke von 1000 A. Die darüberliegende Nickelschicht hat eine Stärke von 5000 A. Die schließlich noch aufgebrachte Silberschicht hat eine Stärke von 15000 A. Ferner sind Kupferanschlüsse mit einer Stärke von 0,13 mm (5 mils) und ein Kühlkörper mit einer Stärke von 1,4 mm (54 mils) vorhanden. Der Rand des Triackristalls ist mit einer Passivierungsschicht aus Glas überzogen. Die Gußverkapselung besteht aus Siliconharz. Dieses Bauelement wurde mit seinem Anschlußstück mit einem wassergekühlten Kühlkörper verbunden. An dem dem Anschluß 116 in Fig. 1 entsprechenden Anschluß wurde ein Thermoelement befestigt. Weiterhin wurde an dem Anschlußstück des Kühlkörpers unmittelbar neben dem Gehäuse ein weiteres Thermoelement angebracht. Ferner wurden an dem Leitungsanschluß und dem Kühlkörperanschluß in einem Abstand weitere Thermoelemente befestigt, um die in diesen Teilen auftretenden Wärmeverluste korrigieren zu können. Bei einer Leistung-von 20 Watt wurden vier ähnlich aufgebaute Halbleiter-Bauelemente geprüft. Im stationären Zustand ergab sich zwischen der dielektrischen Trennanordnung und der zugeordneten Verbindungsoder Verkittungsanordnung ein Temperaturanstieg von 1,32 bis 1,42 °Kelvin pro Watt, also ein durchschnittlicher Temperaturanstieg von 1,35 ⁰Kelvin pro Watt. Dies© Versuche zeigen, daß das nach der Erfindung aufgebaute Halbleiter-Bauelement für hohe Leistungen geeignet ist, ohne daß dabei eine übermäßige interne Erwärmung auftritt. Dies ist auf die dielektrische Trennschicht aus Aluminiumnitrid und die zugeordneten Verkittungs- oder Verbindungsanordnungen zurückzuführen. Aus dem durchschnittlichen Temperaturanstieg pro Watt kann man die thermische Leitfähigkeit der benutzten dielektrischen Trennanordnung aus Aluminiumnitrid berechnen. Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Bauelements ergibt sich die thermische Leitfähigkeit zu 0,65 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   ί 1./Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkristall, der in einem Abstand zv/ei getrennte, ausgedehnte Oberflächenabschnitte auf v/ei st, denen jeweils ein stromführender Metalleiter zugeordnet ist und mit einem metallischen Kühlkörper, der die in dem Halbleiter erzeugte und durch einen der Oberflächenabschnitte und den zugeordneten Metalleiter nach außen geführte Wärme aufnimmt,
   dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem Kühlkörper (120j224) und dem Metallleiter (116;204) angeordnete dielektrische Trennanordnung (118;230) im wesentlichen aus Aluminiumnitrid besteht.
2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 _s dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Trennanordnung eine einheitliche Aluminiumnitridschicht ist und daß diese Schicht über jeweils eine Dehnungen aufnehmende Anordnung (114,124;232, 234) mit dem metallischen Stromleiter (116?2O4) und dem Kühlkörper (120;224) thermisch leitend verbunden ist.
3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2_V dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungen aufnehmende Anordnung eine mindestens einer Hauptoberfläche der dielektrischen Trennanordnung zugeordnete Kontakteinrichtung aufweist und daß der Kontakteinrichtung eine Weichlotschicht zugeordnet ist.
4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine metallische Stromleiter (204) den Halbleiterkristall (202) hermetisch umkapselt und daß die dielektrische Trennanordnung (230) auf einer Außenfläche dieses Stromleiters (204) angebracht ist.
5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Trennanordnung ein einheitlicher Körper aus Aluminiumnitrid ist, daß die Dichte des Körpers größer als 80$ der theoretischen Dichte von Aluminiumnitrid beträgt, daß bei Zimmertemperatur die thermische Leitfähigkeit nehr als 0,5 Watt-pro Zentimeter und Grad Kelvin beträgt und daß der spezifische elektrische Widerstand größer als 10 Ohmzentimeter ist.
6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Trennkörper aus mehreren Teilchen besteht, die im wesentlichen einphasiges Aluminiumnitrid enthalten und kohäsiv miteinander verbunden sind.
7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mindestens 95% reines Aluminiumnitrid enthalten.
8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Körpers mindestens 95# der theoretischen Dichte von Aluminiumnitrid beträgt und daß die thermische Leitfähigkeit des Körpers bei Zimmertemperatur mindestens gleich 0,60 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin ist.,

   •. ■ ■ ■
9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekenn ze lehnet , daß der dielektrische Körper im wesentlichen aus monokri-

   stallinem Aluainiunnitrid besteht, das bei Zimmertemperatur eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 1,2 Watt pro Zentimeter und Grad Kelvin hat.

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10. 10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet» daß der Kühlkörper (120) ein sich seitlich erstreckendes, wärineverzehrendes Anschlußstück (126) aufweist, daß der dielektrische Körper,(118) auf einer ebenen Oberfläche des Kühlkörpers aufgebracht ist, daß auf dem dielektrischen Körper (118) ein von dem Kühlkörper (120) getrennter erster Stromleiter (116) angeordnet ist, daß ein Siliciumhalbleiterkörper (102) auf dem ersten Stromleiter angebracht ist und mit dem größten Teil seiner Hauptoberfläche mit dem ersten Stromleiter leitend verbunden ist, daß ein zweiter Stromleiter (130) auf dem Silicium-Halbleiterkörper (102) angeordnet ist und mit einem ausgedehnten Oberflächenabschnitt des Halbleiterkörpers leitend .verbunden ist, daß eine metallische Lötanordnung (Ii4_s)122_i,124_i)132) eine thermisch gut leitende Verbindung zwischen dem zweiten Strom·= leiter (130) und dem Halbleiterkörper (102) ₉ zwischen dem Halbleiterkörper (102) und dem ersten Stromleiter (116), zwischen dein ersten Stromleiter (116) und dem dielektrischen Körper (118) und zwischen dem dielektrischen Körper (118) und dem Kühlkörper {120) bildet und daß ein dielektrischer Kapselungskörper (140) den Halbleiterkörper und den dielektrischen Körper umgibt und die Kühlkörper- und Stromleiter-Durchführungen hermetisch abdichtet.

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