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    公开号:WO1980000116A1
    申请号:PCT/CH1979/000068
    申请日:1979-05-16
    公开日:1980-01-24
    发明作者:D Eisele；H Kmitta
    申请人:Bbc Brown Boveri & Cie；D Eisele；H Kmitta；
    IPC主号:H01L24-00
    专利说明:
    [0001] Halbleiterbauelement mit Isoliergehäuse
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen, mindestens einen pn-Uebergang aufweisenden Halbleiterkörper, welcher an jeder seiner beiden Hauptoberflächen über zwischengelegte Elektrodenteile, dabei insbesondere eine duktile Elektrode, und über einen vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Druckkontaktkörper thermisch und elektrisch druckkontaktierbar ist,, und mit einem die Ränder des Halbleiterkörpers und der Druckkontaktkörper umschliessenden Isoliergehäuse. Bevorzugt han- delt es sich um Leistungs-Thyristoren für Ströme bis mindestens 2000 A, höchstzulässige, periodische Spitzensperrspannungen in Vorwärtsrichtung sowie in Rückwärtsrichtung bis mindestens 1800 V und für Frequenzen bis mindestens 1.500 Hz.
    [0003] Ein derartiges direkt druckkontaktiertes Halbleiterbauelement ist aus der DE-PS 2 039 806 bekannt. Dabei ist die Halbleiterscheibe in Sandwichtechnik zwischen zwei napfförmige Silberelektroden eingelegt, die Napfränder sind den Hauptoberflächen der Halbleiterscheibe abgewandt und umfassen Druckkontaktkörper. Selbstverständlich ist diese Anordnung erst bei Aufbringen des Druckes mittels einer äusseren bekannten Spannvorrichtung (BBC-Druckschrift Nr. D HS 70467 D von 1977 "Kühlung und Montage von Leistungs- Halbleiterbauelementen") thermisch und elektrisch leitfähig. Die vorbeschriebene Anordnung hält insoweit selbst extrem hohen thermischen und elektrischen Belastungen stand. Die für Wärme- und Stromübergang ausschlaggebende Grosse "Einspannkraft kann ohne Rücksichtnahme auf die mechanischen Eigenschaften des Halbleitermaterials frei gewählt werden. Ein weiteres Problem stellt jedoch die Gehäusekonstruktion dar. Aus der vorgenannten BBC-Druck- schrift sind für das Halbleiterbauelement gemäss der DE-PS 2 039 806 an sich geeignete Isoliergehäuse bekannt. Es kann sich dabei um einen Ring aus Aluminiumoxidkerami handeln, oder das Bauelement kann randseitig umpresst werden.
    [0004] Die jeweilige Konstruktion muss trotz hoher thermischer Wechselbeanspruchung eine über lange Zeit gleichbleibende Kühlung des Halbleiterkδrpers sowie eine gute Abdichtung des Gehäuseinnenraumes selbst gegen aggressive Medien sicherste.llen. Eine eventuell ohnehin vorhandene randseitige Glaspassivierung allein genügt diesen Anforderungen nicht. Ein Isoliergehäuse aus Keramik muss, wie die DE-OS 2 556 749 zeigt, an den Stirnseiten mit den stromführende Elektroden fest verbunden werden. Das Umpressen erfordert hohe Investitionen für die Werkzeuge und ist daher für eine Serienherstellung von kleinen Stückzahlen zu teuer.
    [0005] Der Erfindung liegt, ausgehend vom Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Gattung, die Aufgabe zugrunde, den Innenraum, des Isoliergehäuses, in dem sich der Halbleiter körper befindet, gegen den Aussenraum sicher abzudichten. Das System soll über einen Temperaturbereich von etwa 200 K mechanisch stabil und dicht sein, so dass damit auch eine Störung der elektrischen Eigenschaften des Halbleite bauelementes ausgeschlossen ist.
    [0006] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass erfindungs- gemäss jeder der beiden Kontaktkörper in seiner Randseite eine umlaufende Ausnehmung besitzt, in der sich eine den Druckkontaktkörper dicht umfassende, elastische Dichtungs- einlage befindet, die an der Innenwand des Isoliergehäuses dichtend anliegt. Vorzugsweise sind, unabhängig von der Kontur der Halbleiterscheibe, im Querschnitt kreisflächen- förmige Druckkontaktkörper, ein zylindrisches Isoliergehäuse und Dichtringe als Dichtungseinlagen einzusetzen.
    [0007] Die mit dieser "Dichtringtechnik" erreichte Dichtung unter Flächenanlage, wobei eine entsprechende Passung zwischen den zusammenwirkenden Teilen vorauszusetzen ist, lässt eine hohe Temperaturwechselbeanspruchung zu, obwohl das Isoliergehäuse einen anderen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, als die vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Druckkontaktkörper. Zu diesem Zweck können vorteilhaft aus dem Maschinenbau bekannte Wellendichtringe aus Naturkautschuk- Vulkanisaten oder aus gummiähnlichen Kunststoffen, vorzugs- weise auf der Basis von Neoprenen, Thioplasten oder Sili- conen verwendet werden. Das Isoliergehäuse kann in an sich bekannter Weise aus Aluminiumoxidkeramik bestehen. Zur . weiteren Verbilligung des Gehäuses kann man jedoch auch Steatite oder glasfaserverstärkte Epoxidmassen wählen. Die vorgenannten Werkstoffkombinationen für die Druckkontaktkörper und das Isoliergehäuse sind wie beschrieben wegen der Dichtringtechnik möglich.
    [0008] Bei Druckkontaktieren und bei mit Flüssigmetall kontaktierten Halbleiterbauelementen sind zwar Dichtungsringe bekannt (DE-OS 26 06 156, US-PS 37 46 947, US-PS 36 54 528); sie befinden sich jedoch entweder ausserhalb-der Scherbenzelle und dienen zur Abdichtung von Kühldosen, oder sie sind wegen des Flüssigmetallkontaktes notwendig, wogegen mit den vorbeschriebenen erfindungsgemässen Massnahmen der Auf- bau der Scheibenzelle selbst vereinfacht und verbessert wird. Vorzugsweise sind die Druckkontaktkörper an ihren den Halb leiterkörpern zugewandten Seiten mit Zentriereinrichtung versehen. Dies dient insbesondere der Drucksymmetrierung bezüglich einer zur Scheibenebene des Halbleiterkδrpers senkrecht verlaufenden Mittelachse.
    [0009] Bei einer Ausführung des Halbleiterbauelementes ähnlich der Anordnung gemäss der DE-PS 20 39 806 mit zwischengelegte napfförmigen duktilen Elektroden, deren hochstehende Napfränder den Druckkontaktkörpern zugewandt sind weist jeweils der Druckkontaktkörper einen Tisch als Zentrierung auf, der vom Napfrand umfasst ist. Dabei kann zur besseren Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zusätzlich eine Ronde, vorzugsweise aus Molybdän in die napfförmige Elektrode eingesetzt sein. - Eine exakt zentrierte Anord nung von Halbleiterkörper, Elektroden und Druckkontaktkörpern ist im Hinblick auf die mechanische Belastung auch für die randseitige Dichtung günstig.
    [0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert
    [0011] Es zeigen:
    [0012] Fig. 1 eine Explosionszeichnung des Halbleiterbauelemen tes und
    [0013] Fig . 2 das Halbleiterbauelement -im zusammengebauten , Zu- stand.
    [0014] Im Ausführungsbeispiel ist ein Thyristor dargestellt.
    [0015] Wesentlicher Bestandteil der Gesamtanordnung ist zunächs ein scheibenförmiger Halbleiterkörper 10, der -randseitig doppelt angeschrägt und mit einer Passivierungsschicht 11 versehen sein kann. Jeweils von einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers aus betrachtet, folgen:
    [0016] a) Eine napfförmige Elektrode 12 bzw. 13 aus duktilem Material, vorzugsweise aus Silber, deren Napfrand 14 bzw. 15 vom Halbleiterkörper 10 abgewandt ist ; und deren Boden 16 eine Durchgangsöffnung 17 für den Anschluss einer Steuerelektrode 38 aufweist. >
    [0017] Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt nur der für die Kathodenseite des Halbleiterkörpers 10 bestimmte Silbernapf 14 eine solche Oeffnung 17. Es versteht sich jedoch für steuerbare Halbleiterbauelemente, die für beide Stromrichtungen in einen Zustand höheren und einen Zustand niedri- geren Widerstandes schaltbar sind und beidseitig herausgeführte Steuerelektroden besitzen (z.B. ältere Patentanmeldung P 27 23 951.6), dass auch der andere Silbernapf 15 eine solche Oeffnung 17 besitzen kann:
    [0018] b) Eine in den Silbernapf 14 bzw. 15 einlegbare Ronde 18 bzw. 19 aus thermisch und elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise Molybdän, wobei eine der beiden Ronden wieder eine Durchtrittsöffnung 20 für die Steuerelektrode 38 besitzt.
    [0019] c) Ein 'Druckkontaktkörper 21 bzw. 22, in den eine im Aus führungsbeispiel als Dichtring 23 bzw. 24 ausgebildete
    [0020] Dichtungseinlage einlegbar ist. Der vorzugsweise aus Kupfer bestehende Druckkontaktkörper 21 bzw. 22 besitzt zu diesem Zweck eine Nut 25 bzw. 26. Weiterhin weist der Druckkontaktkörper 21 bzw. 22 auf seiner dem Halb- leiterkörper 10 zugewandten Seite einen Tisch 27 bzw. zur Zentrierung auf.
    [0021] Zur randseitigen Isolierung ist ein hohlzylindrisches Isoliergehäuse 29 vorgesehen, dessen Innenwand 30 oben und unten Fasen 31 mit etwas grösserem Durchmesser, als in die übrige Innenwand 30 aufweist, besitzt. Weiterhin ist eine Durchgangsöffnurig 33 für die Steuerelektrode 38 vorhande Die Steuerelektrode hat auf ihrer mit dem Halbleiterkörper 10 über Druck zu kontaktierenden Seite in an sich bekannter Weise eine kleine Feder 3-4 (DE-OS 2 246 423) und ist mit einer Isoliertülle 35 umgeben, die in die Durchführung 33 durch das Isoliergehäuse 29 passt und die Steuerelektrod 38 mechanisch stabilisiert. Die Feder 3-*-» bekommt zur Isolierung gegen den Druckkontaktkörper 22 einen kleinen Hu 36 aus Isoliermaterial. Der Isolierkörper 22 besitzt eine an die Hutform angepasste Ausnehmung 37•
    [0022] Der Zusammenbau des Halbleiterbauelementes geschieht in folgender Weise: Es werden Isolierringe 23 bzw. 24 verwendet, die je nach dem Material, aus dem sie bestehen, so vermasst sind, dass der jeweilige Isolierring 23 bzw. 24 im heissen Zustand zusammen mit dem Druckkontaktkörper 21 bzw. 22 aus Kupfer eine geeignete Passung darstellt.
    [0023] Der Dichtring 23 bzw. 24 wird in die Nut 25 bzw. 26 des Druckkontaktkörpers 21 bzw. 22 gelegt. Ueber die Einführungsphase 32 am Isoliergehäuse 29 wird zunächst der eine Druckkontaktkörper 21 in dasselbe bis zu seinem Boden hineingedrückt. Nacheinander und übereinander werden dann die anodenseitige Molybdänronde 19, das aus dem Halbleiter körper 10 und den beiden Silbernäpfen 14 und 15 bestehende Sandwich, die kathodenseitige Molybdänronde 18 und die Steuerelektrodenanschlussteile 38, 34 bis 36 in das. Gehäuse 29 eingebracht. Die Zentrierung dieses Gebildes geschieht über den Silbernapf 15, der über die Molybdänronde 19 hinaus den Tisch 27 am anodenseitigen Druckkontaktkörper 21 umfasst. Das Gehäuse wird schliesslich durch den Einsatz des mit dem Dichtring 24 versehenen Druckkontaktkörpers 22 so komplettiert, dass beide Druckkontaktkörper ca. 0,5 mm über die Stirnseiten des hohlzylindrischen Isoliergehäuses 29 hinausragen (Fig. 2).
    [0024] Fig. 2 zeigt, dass die Dicht- bzw. O-Ringe 23 und 24 im zusammengebauten Zustand des Halbleiterbauelementes relativ grossflächig zur Flächenanlage einerseits an der Innenwand 30 des Isoliergehäuses 29 und andererseits an den Druck- kontaktkörper 21 und 22 gelangen.
    [0025] Das hohlzylindrische Isoliergehäuse 29 kann zur weiteren Verbilligung anstelle von Aluminiumoxidkeramik aus Steati- ten, glasfaserverstärkten Epoxidmassen, Glas oder ähnlichem bestehen. Als Grundmaterial für die Dichtringe 23 und 24 kann, wie bereits erwähnt, das für Wellendichtringe übliche Material gewählt werden.
    [0026] Die Dichtringtechnik-erfordert nur etwa 3 % der Werkzeugkosten, die für die Umpresstechnik notwendig wären,
    [0027] Da jeweils der O-Ring 23 , 24 nicht nur das abdichtende Element, sondern auch einen elastischen Puffer zwischen Druckkontaktkörper 21 bzw. 22 und Isoliergehäuse 29 darstellt, ist eine aufwendige Verlötung eines Blechflansches mit dem Kupfer wie bei der Umpresstechnik nicht notwendig. D.h. gleichzeitig, dass man für die Anschlusselektroden handels übliches, preiswertes Kupfermaterial wie ECuF25 verwenden kann. Im Falle der Verlötung mit einem Flansch, wie beim Gegenstand eingangs erwähnten älteren Patentanmeldung, muss nämlich Material mit sehr hoher Ausgangshärte verwendet werden, beispielsweise ZrCu, um nach dem Lötprozess noch eine notwendige Resthärte zu erhalten.
    [0028] Ein weiterer Vorteil der Dichtringtechnik besteht darin, dass im Falle eines elektrischen Ausfalls eines Halbleiter bauelementes alle Einzelteile ausser dem Sandwich wieder verwendet werden können. Schliesslich ist die Montage bei der Dichtringtechnik einfacher und erfordert weniger Zeit als bei der Umpresstechnik.
    [0029] Sowohl gegenüber der Umpresstechnik als auch gegenüber dem bisherigen Gehäuse mit Keramik-Ring, ergeben sich somit er hebliche Einsparungen.
    [0030] Weiterhin weist das in Dichtringtechnik hergestellte Halb leiterbauelement eine hohe Dichtigkeit auf mit einer von beispielsweise unter 10-3 Torr • ltr sec
    [0031] Umpressgehäuse erweisen sich dagegen oft am Uebergang Blech/Umpressmasse* als undicht. Das in Dichtringtechnik hergestellte Halbleiterbauelement übersteht auch Tempera turwechselbeanspruchungen, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 223K bis 423K ohne Schaden.
    [0032] Weiterhin sind die in Dichtringtechnik hergestellten Halb leiterbauelemente auch langzeitig resistent und in ihren elektrischen Eigenschaften* weitgehend stabil unter harten Prüfbedingungen mit aggressiven Medien wie SO2/SO3 --, NO 2-, Cl2/Cl-, NH /NH4 + und Oel,
    权利要求:
    Claims

    P a t e n t a n s p r ü c h e
    Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen, minde stens einen pn-Uebergang aufweisenden Halbleiterkörper welcher an jeder seiner beiden Hauptoberflächen überzwischengelegte Elektrodenteile, dabei insbesondere eine duktile Elektrode, und über einen vorzugsweise aus
    Kupfer bestehenden Druckkontaktkörper thermisch und elektrisch druckkontaktierbär ist, und mit einem die Ränder des Halbleiterkörpers und der Druckkontaktkδrper umschliessenden Isoliergehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Druckkontaktkörper (21, 22) in seiner Randseite eine umlaufende Ausnehmung besitzt, der sich eine den Druckkontaktkörper (21, 22) dicht um fassende, elastische Dichtungseinlage befindet, die ander Innenwand (30) des Isoliergehäuses (29) dichtend anliegt.
    Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch scheibenförmige, im Schnitt parallel zur Scheiben ebene kreisflächenförmige Druckkontaktkörper (21, 22), ein zylindrisches Isoliergehäuse .(29) und Dichtringe (23, 24) als Dichtungseinlagen.
    Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch Verwendung von Wellendichtungen aus Naturkautschuk-Vulkanisaten oder aus gummiähnlichen Kunststoffen, vorzugsweise auf der Basis von Neoprene Thioplasten oder Siliconen.
    Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch ein. Isoliergehäuse (29) aus Aluminiumoxidkeramik.
    5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgende, gekennzeichnet durch ein Isoliergehäuse (29) aus Steatit und/oder glasfaserverstärkten Epoxidharzen und/oder Glas.
    6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch Zentriereinrichtungen an den dem Halbleiterkörper (10) zugewandten Seiten der Druckkontaktkörper (21, 22).
    7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 mit zwischengeleg ten napfförmigen duktilen Elektroden, deren hochstehende Napfränder άύn Druckkontaktkörpern zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Druckkontaktkörper (21, 22) einen Tisch (27, 28) als Zentriereinrichtung aufweist, der vom Napfrand (14, 15) umfasst ist.
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    1980-01-24| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): CH FR GB SE Designated state(s): CH FR GB SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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