DE2848252A1 - Flachpack-halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Flachpack-Halbleitervorrichtung zur Verwendung z.B. als Hochleistung-Halbleitergleichrichterelement, als Hochleistungstransistor o.dgl. und insbesondere mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Bruch oder Durchbruch aufgrund eines Kurzschlußstromflusses durch die Vorrichtung.

In letzter Zeit wird mehr und mehr angestrebt, Halbleitervorrichtungen und insbesondere Leistungshalbleitervorrichtungen mit hoher Leistung und/oder kleinen Abmessungen auszulegen. Mit zunehmender Strombelastbarkeit von Halbleitervorrichtungen wird es jedoch schwierig, die Vorrichtungen durch zugeordnete (Schmelz-) Sicherungen zu schützen und diese Vorrichtungen und Sicherungen aufeinander abzustimmen. Wenn geeignete Sicherungen nicht zur Verfügung stehen, entspricht ein durch eine solche Halbleitervorrichtung fließender Kurzschlußstrom im un-

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günstigsten Pall einem Mehrfachen des innerhalb weniger Perioden des Änlagenstroms zulässigen Nenn-Stoßstroms bis zum Auslösen der Sicherung. Wenn dieser Kurzschlußstrom hoch genug ist, schmilzt er nicht nur das Halbleitermaterial, z.B. das Silizium eines in der Vorrichtung vorgesehenen Halbleiterelements, sondern auch die am Halbleiterelement angeformten Elektroden aus einem thermisch und elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium. Außerdem kann sich dabei eine Inertgasfüllung der Halbleitervorrichtung so ausdehnen, daß eine Explosion erfolgt, die zu schweren Schaden und Zerstörungen an äußeren oder umliegenden Vorrichtungen führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten und zweckmäßigen Flachpack-Halbleitervorrichtung, die auch dann nicht explosionsgefährdet ist, wenn sie von einem übermäßig großen. Kurzschlußstrom durchflossen wird.

Diese Halbleitervorrichtung soll dabei auch eine solche Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen besitzen, daß ihre Luftdichtigkeit auch durch Schwingungen hoher Beschleunigung, die lange Zeit auf die Vorrichtung einwirken, nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Flachpack-Halbleitervorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrisch isolierenden Hohlzylinder, durch zwei einander gegenüberstehend an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnete Elektroden, durch ein zwischen die beiden (zylindrischen) Elektroden eingefügtes Halbleiterelement, durch eine dünne metallene Ringscheibe, die am Außenumfang luftdicht mit der betreffenden Stirnfläche des Hohlzylinders verbunden ist und mit dem Innenumfang die betreffende Elektrode luftdicht haltert, durch je einen von jeder Elektrode radial nach außen abstehenden umlaufenden Flansch, welche dem Hohlzylinder axial gegenüberliegen, und

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durch Mittel zur körperlichen Trennung des Halbleiterelements von den dünnen Metall-Ringscheiben.

Ein vorteilhaftes Merkmal besteht darin, daß zwischen jeden umlaufenden Flansch und den Hohlzylinder je ein elastisches Ringelement eingefügt ist, welches das Halbleiterelement körperlich gegenüber der jeweils benachbarten dünnen Ringscheibe trennt bzw. isoliert.

Der umlaufende Flansch kann in Richtung der Dicke des Halbleiterelements verformbar sein und unmittelbar mit dem elektrisch isolierenden Hohlzylinder in Berührung stehen.

Die elastische Ringscheibe kann durch ein ringförmiges Abschirmelement (blocking element) aus einem Material ersetzt werden, das sowohl einen hohen Schmelzpunkt als auch eine hohe Verschmelzungstemperatur besitzt und das nicht elastisch verformbar ist.

Weiterhin kann der umlaufende Flansch den isolierenden Hohlzylinder unmittelbar berühren.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise in Seitenansicht gehaltenen Längsschnitt durch eine bisherige Flachpack-Halbleitervorrichtung mit weggebrochenen Teilen,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Stromwellenform zur beispielhaften Veranschaulichung eines durch Leistungs-Planarhalbleitervorrichtungen, wie diejenige nach Fig. 1, fließenden Kurzschlußstroms,

Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung, die einen Bruch der Vorrichtung nach Fig. 1 aufgrund eines durch diese Vorrichtung fließenden KurzSchlußstroms zeigt,

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Fig. 4 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer Flachpack-Halbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung zur Darstellung vom Schmelztröpfchen von einem Halbleiterelement und Elektroden,

Fig. 5 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6a bis 6e Schnittansichten verschiedener Abwandlungen des elastischen ringförmigen Abschirmelements nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 einen Teillängsschnitt zur Darstellung einer Abwandlung eines Teils der Ausführungsform nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Fig. 8 ähnelnde Darstellung einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 einen Teillängsschnitt zur Darstellung einer Abwandlung» eines Abschnitts der Vorrichtung nach Fig. 10,

Fig. 12 eine Fig. 11 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 11,

Fig. 13 eine Fig. 10 ähnelnde Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine Fig. 11 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 13 und

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Fig. 15 und 16 der Fig. 14 ähnelnde Darstellungen weiterer Abwandlungen der Vorrichtung nach Fig. 14.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnete

Zum besseren Verständnis ist zunächst anhand der Fig. T bis 3 eine bisherige Flachpack-Halbleitervorrichtung erläutert. Gemäß Fig. 1 besteht ein allgemein mit 10 bezeichnetes Halbleiter-Gleichrichterelement aus, einem Siliziumsubstrat 12 mit darin ausgebildeten, nicht dargestellten PNN -übergängen bzw. -Sperrschichten, einer an der einen. Hauptfläche, d.h. an der gemäß Fig. 1 unteren Hauptfläche des Substrats 12 mittels einer Schicht einer eutektischen Al-AlSi-Legierung 16 angelöteten Tragplatte 14 und einer mit der anderen bzw. oberen Hauptfläche des Substrats 12 in ohmschem Kontakt stehenden Al-Elektrodenschicht 18. Die Tragplatte 14 besteht aus Molybdän mit praktisch demselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial, beim dargestellten Beispiel Silizium, des Substrats 12, und die Elektrodenschicht 18 ist auf der oberen Hauptfläche des Substrats durch Aufdampfen von Aluminium ausgebildet.

Das Halbleiter-Gleichrichterelement ist dabei fest zwischen eine obere und eine untere zylindrische Elektrode 20 bzw. 22 eingefügt, indem die Al-Elektrodenschicht 18 in Druckberührung mit der oberen Elektrode 20 und die Tragplatte 14 auf ähnliche Weise in Druckberührung mit der unteren Elektrode 22 gebracht ist.

Die Anordnung aus dem Gleichrichterelement und den beiden Elektroden ist in einem elektrisch isolierenden Hohlzylinder aus z.B. einem Keramikmaterial angeordnet und einerseits durch eine flexible Metall-Ringscheibe 26, die an ihrem Innenumfang mit der oberen Elektrode 20 und an ihrem Außenumfang mit der gemäß Fig. 1 oberen Stirnfläche des Hohlzylinders 24 hart-

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verlötet ist, und andererseits durch ein flaches Metallelement 28 in Form einer Ringscheibe festgelegt, dessen Innenumfang durch Hartlöten mit einer Umfangsschulter der unteren Elektrode 22 verbunden ist, während sein Außenumfang über ein flanschartiges, flaches Element 30 mit der anderen bzw. unteren Stirnfläche des Hohlzylinders 24 durch Hartlöten verbunden ist. Die flexible Ringscheibe 26 besteht dabei aus dünnem Kupferblech, während das flache Element 28 aus Eisenblech oder einer Eisen-Nickel-Legierung besteht.

Die beiden Elektroden 20 und 22 sind jeweils am freien Endabschnitt mit einer Anzahl von Kühlrippen 32 versehen.

Ein durch die gegenüberstehenden Elektroden 20 und 22, den Hohlzylinder 24, die flexible Ringscheibe 26 und das flanschförmige Element 28 gebildeter, gasdichter Hohlraum ist mit einem Volumen eines geeigneten Inertgases gefüllt.

Zur betriebsmäßigen Verbindung der Anordnung nach Fig. 1 wird auf die Abschnitte mit den Kühlrippen 32 ein Druck von mehreren Tonnen ausgeübt, um das Halbleiterelement 10 elektrisch und thermisch mit den gegenüberstehenden Elektroden 20 und 22 zu verbinden.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann unter einem sie durchfließenden Kurzschlußstrom durchbrechen bzw. durchschlagen. Wenn an die Elektroden 20 und 22 eine Wechselspannung angelegt wird, so daß ein den Durchlaß-Nennstoßstrom der Vorrichtung übersteigender Vorwärts- bzw. Durchlaßstrom fließen kann, kann dieser in einer ersten Periode der Wechselspannung auf die in Fig. 2, in welcher der strom (in A) auf der Ordinate gegen die Zeit (in ms) auf der Abszisse aufgetragen ist, durch das Siliziumsubstrat 12 fließen. Dabei steigt die Temperatur des Siliziumsubstrats 12 auf 250 - 500°C an, während der Sperrstrom gemäß Fig. 2 ohne Durchbruch der Sperrschichten blockiert wird. In der zweiten Periode der Wechselspannung steigt jedoch die Temperatur des Siliziumsubstrats 12 weiter auf 1200 - 2000°C

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an, wodurch die PNN -übergänge oder -Sperrschichten ihrer Gleichrichterfunktion beraubt werden, bis gemäß Fig. 2 ein Gegen- oder Sperrstrom durch das Substrat 12 fließt. Bei diesem Sperrstromfluß durch das Substrat 12 steigt dessen Temperatur immer weiter an, bis nach der zweiten Periode der Wechselspannung ein KurzSchlußstrom durch das Substrat 12 fließt, wie dies aus Fig. 2 ohne weiteres ersichtlich sein dürfte.

Wenn der Kurzschlußstrom das Siliziumsubstrat 12 durchfließt, erreicht dieses eine solche Temperatur, daß die Schicht der eutektischen Al-AlSi-Legierung 16 und die Al-Elektrodenschicht 18 an beiden Hauptflächen des Substrats 12 auf Temperaturen über ihrem jeweiligen Schmelzpunkt liegen und die am ümfangsrand des Substrats 12 befindlichen Teile beider Schichten 16 und 18 verdampfen. Bei dieser Verdampfung der Schichten 16, 18 entstehen heiße elektrische Lichtbogen zwischen dem Siliziumsubstrat 12 und der ersten bzw. oberen Elektrode 20 einerseits sowie der Tragplatte 14 am Ümfangsrand des Substrats 12 andererseits, unter deren Einfluß sowohl der Umfangsbereich des Substrats 12 als auch die benachbarten Abschnitte der ersten Elektrode 20 und der Tragplatte 14 schmelzen. Hierbei bilden sich zahlreiche Schmelztröpfchen, die ihrerseits in den geschlossenen Hohlraum ausgetrieben werden. Gleichzeitig wird das diesen Hohlraum füllende Inertgas in ein Plasma verwandelt, so daß es sich plötzlich ausdehnt.

I.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 liegen die dünne Ringscheibe 26 und das dünne Flanschelement 28 gegenüber dem durch die beiden Elektroden 20, 22, den isolierenden Hohlzylinder 24 usw. gebildeten Hohlraum frei. Diese dünnen Metallelemente kommen dabei mit einem Anstieg ihrer Temperatur mit dem Plasma des Füllgases in Berührung, und sie werden weiterhin von den Schmelztröpfchen beaufschlagt. Die in den Schmelztröpfchen enthaltene thermische Energie läßt dabei diese Abschnitte

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der Elemente 26 und 28 ihren Schmelzpunkt erreichen, so daß die Schmelztröpfchen diese Elemente durchschlagen können. Infolgedessen wird das Füllgas, das sich - wie erwähnt plötzlich ausgedehnt hat, durch die auf diese Weise durch die Schmelztröpfchen geformten Löcher explosionsartig aus der Anordnung ausgetrieben, so daß ein in Fig. 2 veranschaulichter Durchbruch entsteht.

Die bisherigen Flachpack-Leistungshalbleitervorrichtungen der in Fig. 1 gezeigten Art sind also diesbezüglich unvorteilhaft, weil die explosionsartig ausgetriebenen Schmelztröpfchen je nach der Lage der Vorrichtung schwere Zerstörungen herbeiführen können.

Beispielsweise wurden Versuche mit einer Flachpack-Leistungshalbleitervorrichtung der Art gemäß Fig. 1 mit einem Durch-

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laßstoßstrom I von 35.000 A und einem Strom/Zeit-Produkt I t von 5x10 As durchgeführt. Diese Versuche ergaben, daß alle untersuchten Vorrichtungen einen Durchbruch bei einer angelegten Spannung von 1000 V, einem Kurzschlußstrom von 170 kA und einem Strom/Zeit-Produkt von 20 χ 10 As erlitten .

Die Erfindung bezweckt nun die Ausschaltung der geschilderten Nachteile der bisherigen Vorrichtungen der infrage stehenden Art.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flachpack-Leistungshalbleitervorrichtung dargestellt, die sich von derjenigen nach Fig. 1 und 3 nur dadurch unterscheidet, daß obere und untere Elektrode 20 bzw. 22 jeweils einen umlaufenden Fortsatz bzw. Flansch 34a bzw. 34b aufweisen, welcher radial nach außen absteht und praktisch bündig mit der betreffenden Stirnfläche des elektrisch-isolierenden Hohlzylinders 24 abschließt. Der Hohlzylinder 24 weist seiner-

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seits einen radial nach innen gerichteten Fortsatz bzw. Flansch 36 auf, der vom Mittelbereich seines. Inrtenumfangs nach innen absteht und die Flansche 34^!a und 34b unter Festlegung vorbestimmter, gleich großer Abstände zu ihnen überlappt. In jedem dieser Abstände bzw.. Zwischenräume ist jeweils eine ringförmige, metallene Abschirmung 38 mit U-förmigem Querschnitt unter ihrer Eigenelastizität derart mit Kraftschluß festgelegt, daß die offene Seite ihres Ü-Querschnitts dem Hohlzylinder 24 zugewandt ist. Die ringförmigen Abschirmungen 38 verschließen dabei den Durchgang vom Halbleiterelement 12 zur flexiblen Ringscheibe 26 bzw. zum flachen Flanschelement 28. Dies bedeutet, daß die Abschirmungen 38 jeweils das Halbleiterelement 12 körperlich von den Elementen 26 und 28 trennen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 prallen die Schmelztröpfchen, die durch vom ümfangsränd des Halbleitersubstrats 12 ausgehende heiße elektrische Lichtbögen gebildet werden, nur gegen die Flansche 34a, 34b und 36, wie dies durch die Pfeile in Fig. 4 angedeutet ist. Auf diese Weise kann ein Auftreffen der Schmelztröpfchen gegen die Elemente 36 und 38 verhindert werden, wobei letztere an einer unmittelbaren Berührung mit dem von den Lichtbogen herrührenden Plasma des Füll-Inertgases gehindert werden, weil die ringförmigen Abschirmungen 38 sicher zwischen den Elektrodenflanschen 34a, 34b und dem Hohlzylinderflansch 36 festgelegt sind.

Wenn der isolierende Hohlzylinder 24 eine hohe Wärmekapazität besitzt und die Elektrodenflansche 34a, 34b mindestens 1 mm dick sind, wird die in den Schmelztröpfchen enthaltene thermische Energie auf die in Fig. 4 durch die gestrichelten Linien angedeutete Weise von den Innenbereichen der Elektroden 20 und 22 sowie des Hohlzylinders 24 absorbiert, bis die Schmelztröpfchen unter Erstarrung an den Oberflächen der Elektroden 20 und 22 einschließlich ihrer Flansche 34a bzw. 34b und des isolierenden Hohlzylinders 24 einschließlich seines

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Flansches 38 haften bleiben- Wenn die Schmelztröpfchen konzentrisch gegen diese Flansche 34a, 34b und 36 prallen, verschmelzen sie sich aufgrund ihrer hohen thermischen Energie mit diesen Flanschen 34a, 34b und 36. Für diese Verschmelzung wird ein großer Teil der Wärmeenergie verbraucht, aand die beschleunigten Schmelztröpfchen werden ausserdem an der Oberfläche der Flansche 34a, 34b und 36 augenblicklich abgebremst, so daß die Schmelztröpfchen daraufhin nicht mehr genügend Wärmeenergie enthalten, um die flexible Ringscheibe 26 und das flache Flanschelement 28 anzuschmelzen und durchzubrechen. Außerdem kann nur ein kleiner Prozentsatz der Schmelztröpfchen tatsächlich durch die Zwischenräume zwischen den Elektrodenflanschen 34a, 34b und dem Hohlzylinderflansch 36 hindurchtreten. Da diese Zwischenräume jedoch durch die Abschirmungen 38 verschlossen sind, bleiben die Schmelztröpfchen, deren Wärmeenergie bereits abgenommen hat, unter Erstarrung an den Oberflächen der Abschirmungen 38 haften.

Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 werden also die vorstehend geschilderten Nachteile der bisherigen Vorrichtung vermieden.

Selbstverständlich bestimmt sich der Ringabstand zwischen der Innenumfangsflache des elektrisch-isolierenden Hohlzylinders 24 und dem Flansch jeder Hauptelektrode 20 oder 22 sowohl durch den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen·, beiden Teilen, sowie durch die Fertigungsgenauigkeit von Hohlzylinder und Elektroden. Wenn die Elektroden jeweils aus Kupfer hergestellt sind und einen Durchmesser von 70 mm besitzen, kann der Zwischenraum einem Radialabstand von 0,6 mm entsprechen. Der zwischen den Uberlappungsabschnitten der Elektrodenflansche 34a und 34b sowie dem Zylinderflansch 36 gebildete Zwischenraum bzw. Abstand bestimmt sich durch das eingesetzte Abschirmelement 38. Vorzugsweise wird jedoch die Federkraft jedes Abschirmelements

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38 kleiner gewählt als diejenige der flexiblen Ringscheibe 26 und des Flanschelements 28, die mit den Elektroden 20 bzw. 22 verbunden sind.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 4 nur darin, daß die von oberer und unterer Elektrode 20 bzw. 22 ausgehenden Vorsprünge bzw. Flansche 34a und 34b obere bzw. untere Stirnfläche des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 überlappen und zu diesem vorbestimmte Abstände bzw. Zwischenräume festlegen, wobei je ein Abschirmelement 38 in diese Zwischenräume eingesetzt ist und der Flansch 36 gemäß Fig. 4 weggelassen ist.

Die Fig. 6a bis 6e veranschaulichen in diametralem Schnitt verschiedene Formen von ringförmigen Abschirmelementen 38, die zwischen die Flansche 34a und 34b der Elektroden 20 bzw. 22 und die Stirnflächen bzw. den Flansch 36 des Hohlzylinders 24 einsetzbar sind. Die ringförmige Abschirmung 38 kann aus einem FederStahlblech, beispielsweise aus Silber-Nickel-Stahl, rostfreiem Stahl, Kupfer-Nickel-Stahl oder dergleichen, mit einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm hergestellt und anschließend so behandelt werden, daß der betreffende Ring Eigenelastizität besitzt. Beispielsweise kann das aus einem geeigneten Federstahlblech bestehende Abschirmelement 38 gemäß Fig. 6a einen viereckigen Querschnitt mit zwei parallen Seiten und mindestens einer radial nach außen geneigten Seite besitzen. Wahlweise kann dieses Abschirmelement 38 gemäß Fig. 6b einen U-förmigen Querschnitt oder gemäß Fig.6e einen hohlen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Andererseits ist es auch möglich, ein elastisches elektrisches Isoliermaterial, wie Silikongummi oder fluorhaltiger Gummi, in die Form gemäß Fig. 6c mit einem (massiven) kreisförmigen Querschnitt oder gemäß Fig. 6e mit einem quadratischen Querschnitt zu bringen.

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Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung der Abschirmung 38 gemäß Fig. 6b mit einer Dicke von 0,2 mm bei einem Strom/Zeit-Quadratprodukt
kein Durchbruch auftritt.

7 7 Strom/Zeit-Quadratprodukt von 8 χ 10 As oder darunter

Wie eingangs erwähnt, hat sich die Stromkapazität bzw. -belastbarkeit von Leistungshalbleitervorrichtungen aufgrund ihrer großen Abmessungen in letzter Zeit erhöht. Wenn das Halbleiterelement 12 gemäß Fig. 1 beispielsweise einen größten Durchmesser von 120 mm besitzt, muß es in einem Gehäuse mit einem Außendurchmesser von etwa 170 mm untergebracht werden. Infolgedessen besitzen die so gebildeten Halbleitervorrichtungen ein vergleichsweise hohes Gewicht. Die bisherigen Halbleitervorrichtungen der Art gemäß Fig. 1 werfen infolgedessen die folgenden Probleme aufi

Das Halbleiterelement 12 mit einem größten Durchmesser von 40 mm muß in einem isolierenden Hohlzylinder 24 mit einem Gewicht von etwa 90 g untergebracht werden. Wenn der größte Durchmesser des Halbleiterelements 12 auf 120 mm vergrößert wird, erhöht sich das Gewicht des Hohlzylinders 24 auf 960 g. Bei einem derart schweren isolierenden Hohlzylinder kann die Halbleitervorrichtung, beispielsweise bei Verwendung in Fahrzeugen, Über lange Zeiträume hinweg ständig mechanischen Längsschwingungen ausgesetzt sein. Unter diesen Bedingungen kann die den schweren Hohlzylinder halternde, flexible Ringscheibe 26 aufgrund der ständig auf sie einwirkenden Belastungen einen -Ermüdungsbruch erleiden, so daß ihre Gasdichtigkeit verloren geht. Hieraus ergibt sich der schwerwiegende Nachteil, daß sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements 12 allmählich verschlechtern, bis die Halbleitervorrichtung mit einem solchen verschlechterten Halbleiterelement schließlich ausfällt.

Versuche haben gezeigt, daß Halbleitervorrichtungen mit einem einen größten Durchmesser von 14 mm besitzenden Halbleiterelement der Art gemäß Fig. 1 mechanische Schwingung mit einer

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' ORIGINAL INSPECTED

Amplitude von 1,5 mm bei einer Frequenz von 60 Hz (entsprechend einer Beschleunigung von 22 G) mit einer Wiederholungshäufigkeit von 80.000 oder mehr zu widerstehen vermögen. Bei Vergrößerung des größten Durchmessers des Halbleiterelements auf 120 mm wurde dagegen bei einer großen Zahl von untersuchten Halbleitervorrichtungen ein Bruch der flexiblen Ringscheibe 26 (Fig. 1) bei einer Wiederholungshäufigkeit der mechanischen Schwingung von bereits 12.000 bei anderweitig unveränderten Parametern festgestellt. Die Betriebslebensdauer dieser zuletzt genannten Vorrichtungen beträgt somit nur etwa 1/7 derjenigen der zuerst genannten (kleineren) Vorrichtungen.

Wie im folgenden in Verbindung mit Fig. 7 näher erläutert ist, bezweckt die Erfindung auch die Schaffung einer Flachpack-Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber mechanischen Schwingungen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 6 hauptsächlich dadurch, daß in Fig. 7 das Abschirmelement 38 zwischen dem Zylinderflansch 36 und den einzelnen Elektrodenflanschen 34a bzw. 34b angeordnet ist. Das Abschirmelement 38 besteht dabei aus einem metallenen O-Ring, wie er von der Firma Dainich-Nippon Densen Kabushiki Kaisha (Japan) geliefert wird und der eine größere Eigenfederkraft besitzt, als die flexible Ringscheibe 26. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem das flache Flanschelement 28 durch eine anddre, der oberen Ringscheibe 26 ähnelnde und ebenfalls mit 26 bezeichnete flexible Ringscheibe ersetzt.

Bei der Montage der Vorrichtung gemäß Fig. 7 wird zunächst die erste bzw. obere Elektrode starr an der benachbarten oberen Stirnfläche (vgl. Fig. 7) des elektrisch isolierenden Hohlzylinders 24 befestigt, in^dem die flexible Ringscheibe 26 mit der einen Randkante an der betreffenden Stirnfläche des Zylinders 24 und mit der anderen Randkante an der Oberseite des

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Flansches 34a der oberen Elektrode 20 verbunden wird. Das Flanschelement 30 wird an der unteren Stirnfläche des Hohlzylinders 24 angebracht. Sodann wird der O-Ring 38 in den Zwischenraum zwischen den Flanschen 34a und 36 eingesetzt. Zu diesem Zweck kann der O-Ring 38 längs eines Radius desselben aufgeschnitten werden. Nachdem zunächst eines der Schnittenden des O-Rings 38 in den Zwischenraum eingepreßt worden ist, wird sein anderer Endabschnitt zu seinem anderen Ende hin fortlaufend in den Zwischenraum hinein gedrückt.

Anschließend wird das Halbleiterelement 12 an der freiliegenden Fläche der Elektrode 20 angeordnet, worauf der andere O-Ring 38 am Flansch 36 des Hohlzylinders 24 angebracht wird, an dessen unterer Stirnfläche das Flanschelement 30 beispielsweise angelötet ist. Die zweite Elektrode 22 mit der an ihrem Flansch 34b beispielsweise angelöteten flexiblen Ringscheibe wird hierauf am Halbleiterelement 12 angebracht. Sodann wird die Ringscheibe 26 in einer Inertgasatmosphäre durch Lichtbogen- oder Widerstandsschweißen luftdicht mit dem plattenförmigen Flanschelement 30 verbunden, worauf die Anordnung fertiggestellt ist.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 7 wird ein Druck von einigen Tonnen auf die beiden Elektroden 20 und 22 ausgeübt, um das Halbleiterelement 12 in Druckberührung mit diesen Elektroden zu halten und die O-Ringe 38 elastisch zu verformen, so daß der Hohlzylinder 24 durch die beiden Elektroden 20 und 22 unter der durch die verformten O-Ringe 38 ausgeübten Federkraft festgehalten wird. Mit anderen Worten: Der Hohlzylinder 24 wird durch die O-Ringe 38 indirekt an den Elektroden 20 und 22 gehalten, wobei die O-Ringe 38 außerdem das Halbleiterelement 12 physikalisch bzw. körperlich von den jeweiligen flexiblen Ringscheiben 26 trennen. Wenn die O-Ringe 38 jeweils eine große Eigenelastizität bzw. Federkraft besitzen, während die von den Elektroden

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20 und 22 abstehenden und mit den O-Ringen 38 in Berührung stehenden Flansche 34a bzw. 34b ausreichende Dicke besitzen, bildet die Vorrichtung gemäß Fig. 7 ersichtlicherweise eine Konstruktion mit sehr hoher Beständigkeit gegenüber mechanischer Schwingung.

Flachpack-Halbleitervorrichtungen der Art gemäß Fig. 7 wurden mit folgenden Abmessungen hergestellt: Gewicht des elektrisch-isolierenden Hohlzylinders 24 = 960 g; größter Durchmesser der Elektroden 20 und 22 mit den Flanschen 34a und 34b = 128 mm; radiale Überlappung zwischen den Flanschen 34a bzw. 34b und dem Flansch 36 des Hohlzylinders 24 = 4 mm; Dicke der Flansche 34a und 34b = 3 mm; Außendurchmesser des aus rostfreiem Stahlblech bestehenden O-Rings 38 = 125 mm bei einer Wanddicke von 0,4 mm und einem Querschnittsdurchmesser von 3 mm.

Diese Vorrichtungen wurden sodann mit einem über die Elektroden 20 und 22 einwirkenden Druck von 4 Tonnen einer Schwingungsprüfung unter den vorher angegebenen Bedingungen unterworfen. Bei diesen Versuchen ergab sich, daß die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ohne weiteres 80.000 Wiederholungszyklen oder mehr auszuhalten vermochten. Die Vorrichtung gemäß Fig. 7 besitzt somit im Vergleich zu den bisherigen Vorrichtungen der Art gemäß Fig. 1 eine erheblich verbesserte Beständigkeit gegenüber mechanischer Schwingung. Darüber hinaus ist auch ihre Explosionssicherheit ausgezeichnet.

Bei den Flachpack-Halbleitervorrichtungen, die sowohl hohe Explosionssicherheit als auch hohe Beständigkeit gegenüber mechanischer Schwingung besitzen, können die mit den O-Ringen 38 in Berührung stehenden Flächen jedes Flansches 34a oder 34b vorteilhaft zum O-Ring 38 hin geneigt sein und gemäß Fig.8 in die benachbarte Elektrodenumfangsflache übergehen, um auf diese Weise die mechanische Festigkeit des Flansches 34a bzw. 34b zu erhöhen. Mit anderen Worten: Der Flansch weist einen

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Schulterabschnitt auf, dessen Axialabmessung in Richtung auf seine Flanke allmählich zunimmt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 10 unterscheidet sich nur darin von derjenigen gemäß Fig. 7 bis 9, daß in Fig. 10 die Flansche 34a bzw. 34b der Elektroden 20 bzw. 22 bei Weglassung der O-Ringe 38 unmittelbar mit dem Flanschelementen 30 in Berührung stehen, die an der benachbarten Stirnfläche des Hohlzylinders 24 beispielsweise durch Hartlöten oder dergleichen befestigt sind. Jeder Flansch 34a, 34b ist in Richtung der Dicke des Halbleiterelements 12 verformbar, wobei er eine Dicke von etwa 1 mm und eine Radialerstreckung bzw. Breite von 2 bis 3 mm besitzt.

Gemäß Fig. 10 stehen die Flansche 34a und 34b unmittelbar mit den flachen Flanschelementen 30 an den betreffenden Stirnflächen des Hohlzylinders 24 in Berührung, so daß sie einen Durchgang vom Halbleiterelement 12 zur betreffenden flexiblen Ringscheibe 26 verschließen. Das Halbleiterelement 12 ist auf diese Weise körperlich von den Ringscheiben 26 getrennt. Eine Dickenänderung des Halbleiterelements 12 wird mittels einer Verformung der Flansche 34a, 34b und der flexiblen Ringscheiben 26 aufgenommen, wodurch sichergestellt wird, daß das Halbleiterelement mit beiden Elektroden 20 und 22 in inniger Berührung verbleibt.

Gemäß Fig. 11 ist der Hohlzylinder 24 an seinem in Radialrichtung inneren Umfangsabschnitt der oberen Stirnfläche mit einer durch eine eingestochene Nut gebildeten umlaufenden Stufe versehen. Diese Stufe steht mit dem Flansch 34a der ersten bzw. oberen Elektrode 20 in Druckberührung. Dasselbe gilt auch für die untere Stirnfläche des Zylinders 24 sowie den Flansch der unteren Elektrode 22. Die dargestellte Ausführungsform kann im Vergleich zu derjenigen gemäß Fig. 10 verkleinerte Abmessungen besitzen.

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Gemäß Fig. 12 ist die Elektrode 20 von einer Stelle am Halbleiterelement 12 aus radial nach außen erweitert und an dieser Erweiterung mit einem umlaufenden, sich in Axialrichtung zu einer Spitze verjüngenden Vorsprung bzw. Flansch 34c versehen, der mit dem an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 beispielsweise angelöteten Flanschelement 30 in Druckberührung steht. Dieser Flansch 34c kann jeden beliebigen, vom Querschnitt gemäß Fig. 12 abweichenden Querschnitt besitzen, solange er in Abhängigkeit von einem eine vorbestimmte Größe übersteigenden Druck verformbar ist.

Die Anordnung gemäß Fig. 13 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 10 dadurch, daß bei ihr die Flansche 34a bzw. 34b der Elektroden 20 bzw. 22 mit den an den benachbarten Stirnflächen des Hohlzylinders 24 angebrachten Flanschelementen 30 über ein zwischengefügtes, flaches ringförmiges Sperrelement 38 in Andruckberührung stehen, das am einen Ende an der zugeordneten Elektrode 20 bzw. 22 anstößt. Dieses Sperr- bzw. Abschirmelement 28 besteht aus einem metallischen Werkstoff, der nicht leicht elastisch verformbar ist und sowohl einen hohen Schmelzpunkt als auch eine hohe Verschmelzungstemperatur besitzt. Beispiele für solche Werkstoffe sind Eisen, Nickel, Kupfer, Titan, Molybdän, Wolfram sowie Legierungen davon. Wahlweise kann das Abschirmelement 28 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehen, beispielsweise aus einer Tonerdemasse, wie Keramik oder Porzellan.

Weiterhin ist der Flansch 34a an der mit dem Abschirmelement 3 8 in Berührung stehenden Seite mit einer umlaufenden Ausnehmung versehen, so daß zwischen beiden Teilen ein Ringspalt 40 gebildet ist.

Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 13 wird durch die Einfügung des Abschirmelements 38 eine bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 und 11 bestehende Gefahr ausgeschaltet, daß nämlich die Flansche 34a und 34b schmelzen können, weil sie

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geschwächt sind, um in Richtung der Dicke des Halbleiterelements 12 verformbar zu sein. Durch die Anordnung des Ringspalts 40 wird außerdem gewährleistet, daß das Halbleiterelement 12 mit den beiden Hauptelektroden 20 und 22 in Druckberührung verbleibt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine auf irgendeinem Grund beruhende Dickenabweichung des Halbleiterelements 12 dadurch kompensiert werden kann, daß sich das Abschirmelement 40 bei der Verformung der beiden Ringscheiben 26 und der Elektrodenflansche 34a und 34b in den Ringspalt 40 hinein\verlagern kann. Die Ausführungsform gemäß Fig. 13 bietet somit den Vorteil, daß das Abschirmelement 40 aus einem beliebigen, nicht leicht verformbaren Werkstoff hergestellt werden kann.

Zur Verdeutlichung der Explosionssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde ein Explosionsversuch mit zwei Gruppen von Flachpack-Halbleitervorrichtungen durchgeführt, die ein Halbleiterelement aus einem Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Dicke von 0,6 mm aufweisen. Die eine Gruppe entsprach der Vorrichtung gemäß Fig. 1, während die andere Gruppe die Konstruktion nach Fig. 13 besaß.

Bei den Explosionsversuchen mittels eines Kurzschlußstroms explodierten die Vorrichtungen mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 bei einem Strom/Zeit-Produkt I t von 20 χ 10 As oder weniger, während die andere Vorrichtungsgruppe mit dem Aufbau gemäß Fig. 13, bei dem das Abschirmelement 38 aus Nickeloder Titanblech mit einer Dicke von etwa 1 mm vorgesehen ist, auch bei einem Str<
noch nicht explodierte.

ist, auch bei einem Strom/Zeit-Produkt von 55 χ 10 ' A s

Außerdem wurde ein Bruchversuch an den beiden Gruppen von Flachpack-Halbleitervorrichtungen durchgeführt, indem Durchbruch'—Kurzschlußströme von 50, 100 und 165 kA durch sie geleitet wurden. Dabei wurde festgestellt, daß die zweite Gruppe (Fig. 13) eine um das 5-fache höhere Bruchfestigkeit be-

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sitzt als die erste Gruppe (Fig. 1).

Bei der Anordnung nach Fig. 14 ist der Elektrodenflansch 34a (Fig. 11) durch den mit dem Abschirmelement 38 unterlegten Flansch 34a ersetzt, wobei ein Ringspalt 40 der Art gemäß Fig. 13 gebildet wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 15 ist ein ringförmiges Abschirmelement 38 mit quadratischem Querschnitt auf die umlaufende Stufe an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 gemäß Fig. 11 aufgesetzt, wobei es mit der zum Halbleiterelement 12 hin abgeschrägten Außenumfangsflache dieses Flansches 34a in Druckberührung steht. Eine Dickenabweichung des Halbleiterelements 12 kann mittels Verformung der abgeschrägten Umfangsflache des Flansches 34a durch das Abschirmelement 38 kompensiert werden.

Ähnlich wie die Vorrichtung nach Fig. 11, kann die Anordnung gemäß den Fig. 14 und 15 im Vergleich zur Vorrichtung gemäß Fig. 13 kleine Abmessungen besitzen.

Bei der Anordnung nach Fig. 16 wird der Axialvorsprung bzw. -flansch 34c der Elektrode 20 gemäß Fig. 12 über das Flanschelement 30 in Druckberührung mit dem ringförmigen Abschirmelement 38 an der Stirnfläche des Hohlzylinders 24 gehalten, wobei die Innenumfangsflache des Abschirmelements am Außenumfang der Elektrode 20 selbst anliegt.

Die Anordnung nach Fig. 16 ist auch auf diejenige nach Fig. 14 anwendbar.

Ersichtlicherweise werden spiegelbildliche Umkehrungen der Anordnungen nach den Fig. 14 bis 16 auch bei den zweiten Elektroden 22 der Vorrichtungen nach Fig. 8, 9, 11 und 12 angewandt.

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Erfindungsgemäß werden also die dünnen Metall-Ringscheiben, welche zwei gegenüberstehende Elektroden mit einem isolierenden Hohlzylinder verbinden, vor einem schnellen Erreichen ihres Schmelzpunkts und einem Durchbruch geschützt. Infolgedessen werden etwa entstehende Schmelztröpfchen
daran gehindert, aufgrund einer Explosion einer inneren Inertgasfüllung der Vorrichtung im Bereich der Flachpack-Halbleitervorrichtung herumzuspritzen.

Obgleich vorstehend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise ist die Erfindung auf verschiedene andere
Flachpack-HalbJeitervorrichtungen als die dargestellten und beschriebenen anwendbar.

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Claims (17)

1. Patentansprüche

   Flachpack-Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch einen elektrisch isolierenden Hohlzylinder (24) , durch zwei einander gegenüberstehend an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnete Elektroden (20, 22), durch ein zwischen die beiden (zylindrischen) Elektroden eingefügtes Halbleiterelement (12), durch eine dünne metallene Ringscheibe (26) , die am Außenumfang luftdicht mit der betreffenden Stirnfläche des Hohlzylinders verbunden ist und mit dem Innenumfang die betreffende Elektrode luftdicht haltert, durch je einen von jeder Elektrode radial nach außen abstehenden umlaufenden Flansch (34a, 34b), welche dem Hohlzylinder axial gegenüberliegen, und durch Mittel (z.B. 38) zur körperlichen Trennung des Halbleiterelements von den dünnen Metall-Ringscheiben (26).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeden umlaufenden Flansch und den Hohlzylinder

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   je ein elastisches Ringelement eingefügt ist, welches das Halbleiterelement körperlich gegenüber der jeweils benachbarten dünnen Ringscheibe trennt bzw. isoliert.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Ringelement eine größere Eigenelastizität bzw. Federkraft besitzt als die dünne Ringscheibe.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Plansch eine Schulterfläche (roof portion) aufweist, deren Axialabmessung sich zu einer Schulterflanke hin
   allmählich vergrößert.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Ringelement ein metallener O-Ring ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Ringelement eine geringere Eigenelastizität bzw. Federkraft besitzt als die dünne Metall-Ringscheibe.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement aus einem metallischen Federmaterial hergestellt ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Ringscheibe aus einem elektrisch isolierenden Material mit Elastizität besteht.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch in Richtung der Dicke des Halbleiterelements verformbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch unmittelbar mit dem isolierenden Hohlzylinder

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    in Berührung steht und das Halbleiterelement physikalisch bzw. körperlich gegenüber der jeweils benachbarten Ringscheibe trennt bzw. isoliert.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flansch und den Hohlzylinder ein ringförmiges Abschirmelement eingesetzt ist, welches das Halbleiterelement körperlich von der jeweils benachbarten Ringscheibe trennt und welches nicht elastisch verformbar ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement aus einem Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt und hoher Verschmelzungstemperatur (heat of fusion) besteht.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Abschirmelements ein Metall ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein elektrischer Isolator ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektroden-Flansch mit einer benachbarten Stirnfläche des isolierenden Hohlzylinders in Berührung steht.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektroden-Flansch mit einem anderen, radial einwärts vom gesamten Innenumfang des Hohlzylinders abstehenden Flansch in Berührung steht, so daß das Halbleiterelement körperlich gegenüber einer benachbarten dünnen Metall-Ringscheibe getrennt ist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Flansch am Hohlzylinder durch teilweise Abtragung einer Innenfläche jedes Endabschnitts des Hohlzylinders gebildet ist.

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