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Halbleiteranordnung
Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die einen scheibenförmigen Halbleiterkörper besitzen, der mit einer Trägerplatte grossflächig verbunden ist, die aus einem Material besteht, das eine gute elektrische Wärmeleitfähigkeit besitzt und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht. Bei Verwendung von Germanium oder Silizium kann dies z. B. Molybdän oder Wolfram sein.
Bei der Verbindung dieser Trägerplatte mit einem Körper, der zur Kühlung der Anordnung während des Betriebes dient, beispielsweise einem Kupferklotz mit Kühlfahnen, einem Kühlwasserkreislauf od. dgl., treten Schwierigkeiten auf. Die Trägerplatte muss mit dem Kühlkörper ebenfalls relativ grossflächig verbunden sein, damit ein guter Wärmeübergang und ein geringer elektrischer Widerstand der Übergangsstelle gewährleistet ist. Bei Verwendung von Weichlot (Zinnlot, Bleilot) kann es vorkommen, dass bei höheren Belastungen und entsprechend starker Wärmeentwicklung die Schmelztemperatur des Lotes zumindest örtlich überschritten wird und damit ein Ablöten auftritt.
Bei Verwendung von Hartlot (Silberlot u. dgl.) kann die erforderliche Löttemperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des vorher fest mit der Trägerplatte verbundenen Halbleiterelementes, z. B. eines Transistors, Gleichrichters oder Fotoelementes, führen. Die Anwendung von Druck, Lötmitteln und andern Hilfsmitteln ist hiebei ebenfalls nur in beschränktem Mass zulässig, da Störungen durch mechanische Spannungen, Verunreinigungen usw. auftreten können.
Weiter ist noch ein Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als elektrische Zuleitung dienenden Plättchen aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, in einem Gehäuse, das aus einer Grundplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem glockenförmigen Abschlussteil besteht, bekanntgeworden, bei dem das mit dem Halbleiterelement verbundene Plättchen mindestens teilweise in einer Ausnehmung der wesentlich dickeren Grundplatte eingeführt und durch plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand mit der Grundplatte fest verbunden wird und anschliessend der glockenförmige Gehäuseteil mit der Grundplatte durch eine weitere plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand verbunden wird (s. z. B.
DAS 1 ru8 103). Bei diesem bekannten Verfahren besteht das als elektrische Zuleitung dienende Plättchen aus Silber mit einem Gold- überzug. Die Grundplatte besteht z. B. aus Weichkupfer, welches leicht verformbar und gut wärmeleitfähig ist.
Dieses bekannte Verfahren ist bei Verwendung von Trägerplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht, nicht anwendbar. Bei einer Wärmewechselbeanspruchung, wie sie im Betrieb der Halbleiteranordnung auftritt, würde nämlich die Verbindung zwischen der Grundplatte und der Trägerplatte gestört bzw. zerstört werden, weil die Wärmeausdehnungskoetiizienten dieser beiden Teile so stark voneinander abweichen, dass eine Wärmebewegung die Verbindung lockern oder lösen würde.
Die Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden. Sie betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem plattenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem ver- bundenen Trägerplatte, insbesondere aus Molybdän 0 sowie einem mit der Trägerplatte in flächenhafter Verbindung stehenden Anschlusskörper. Sie ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die einander
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zugekehrten Oberflächenteile der Trägerplatte und des Anschlusskörpers geläppt sind und zwischen den lose aneinandergelegten geläppten Flächen eine dauerhafte Druckkontaktverbindung besteht.
Vorteilhaft ist die Trägerplatte auf einem Vorsprung des Anschlusskörpers mit Hilfe eines klammerartigen Halteteils befestigt. Zweckmässig sind die Abmessungen der Trägerplatte, des Vorsprungs des Anschlusskörpers und des klammerartigen Halteteils in Richtung der Druckkraft und ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten so aufeinander abgestimmt, dass die Wärmeausdehnung des Halteteils in Richtung der Druckkraft im wesentlichen gleich der Summe der Wärmeausdehnung der Trägerplatte und des Vorsprungs in dieser Richtung ist.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In den Zeichnungen sind beispielsweise Gleichrichteranordnungen dargestellt, welche einen Aufbau gemäss der Erfindung zeigen.
In Fig. l ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der Halteteil mit Hilfe von Schrauben an dem Kühlkörper befestigt ist. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist der Halteteil an dem Kühlkörper angebördelt. In Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Beispiel einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung vor und nach dem Zusammenbau dargestellt. Fig. 5 zeigt ein hiebei verwendetes Werkzeug. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform mit einer Silberzwischenlage dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine gekapselte Gleichrichteranordnung, bei der die eigentliche Halbleiteranordnung auf einem Bodenteil 2 befestigt ist. Dieser Bodenteil 2 der Kapselung ist dickwandig aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt und besitzt einen Gewindebolzen, mit dem er auf Kühleinrichtungen, beispielsweise mit Kühlrippen bzw. einem Kühlkreislauf versehenen Halte teilen, befestigt werden kann. Dieser Bodenteil 2 besitzt einen Vorsprung 2a, auf dem der Gleichrichter befestigt ist.
Dieser Gleichrichter kann z. B. in folgender Weise hergestellt werden : Auf eine Molybdänscheibe 3 von etwa 22 mm Durchmesser wird eine Aluminiumscheibe 4 von etwa 19 mm Durchmesser aufgelegt.
Auf diese Aluminiumscheibe wird ein Plättchen aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Q cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine GoldAntimon-Folie 6, die einen etwas kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe 5 aufweist. Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 8000C unter Anwendung von Druck erhitzt. Diese Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Danach kann das so hergestellte Aggregat in an sich bekannter Weise geätzt werden. Hiebei wird insbesondere der Teil der Halbleiteroberfläche geätzt, an dem ein pn-Übergang zutage tritt.. Anschliessend wird die Halbleiteroberfläche vorteilhaft mit einem Oxydbelag versehen.
Ein in dieser Weise hergestelltes Halbleiterelement wird auf den Vorsprung 2a aufgelegt. Die Berührungsfläche zwischen den Teilen 2a und 3 wird vorher besonders behandelt, wodurch ein guter Wärme- übergang und ein guter Stromübergang gesichert wird. Z. B. wird die Oberseite des Vorsprungs 2a geläppt, danach stark versilbert und bzw. oder vergoldet, z. B. in einem galvanischen Bad mit einer Silberschichtdicke von 10 bis 20 li, und darauf nochmals kurzzeitig geläppt. Auch die Molybdänscheibe 3 wird auf der Unterseite, mit der sie auf dem Vorsprung 2a aufliegt, vorher plangeläppt.
Auf die obere Elektrode des Halbleiterelementes, die im wesentlichen aus einem Gold-SiliziumEutektikum besteht, wird nun ein Stempel 7 aufgesetzt. Dieser Stempel 7 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen. Auf seiner Unterseite, die später das Gold-Silizium-Eutektikum berührt, werden zweckmässigerweise Rillen eingedreht bzw. ein Muster eingepresst, z. B. kleinere Rillen mit je etwa 1 mm Abstand voneinander. Dann wird diese untere Stempelfläche ebenfalls versilbert und schwach geläppt. Hiedurch erhält man eine sehr saubere Aufsetzfläche des Stempels 7 auf der Halbleiteranordnung. Zweckmässigerweise wird das Gold-Silizium-Eutektikum ebenfalls vor dem Aufsetzen des Stempels 7 schwach geläppt, indem z. B. das Halbleiterelement kurzzeitig in eine Läppmaschine eingelegt wird, wobei das Eutektikum der Läppscheibe zugewendet ist.
Die Iäppdauer kann etwa 1/2 - 1 min betragen.
Auf den Stempel 7 wird nun eine Ringscheibe 8 aufgelegt, die z. B. aus den aus Stahl bestehenden Einzelscheiben 8a und 8b bestehen kann, welche mit Hilfe einer Isolierschicht 8c miteinander verbunden sind. Die Isolierschicht 8c kann beispielsweise aus einem wärmebeständigen Lack mit einem Füllmittel oder einem Ring aus Keramik bestehen. Auf diese Ringscheibe 8 werden nun zwei Tellerfedern 9 und 10, die ebenfalls aus Stahl bestehen können, aufgelegt.
Anschliessend werden zwei glockenförmige Halteteile 11 und 12 über die gesamte Anordnung gestülpt. Diese bestehen beispielsweise ebenfalls aus Stahl. Mit Hilfe von über den Umfang des Bodenteils 2 verteilten Schrauben 13 werden diese beiden Halteteile nun angezogen und pressen die einzelnen Teile der Anordnung aufeinander. Der klammerartige Teil 11 berüht mit seinem inneren Rand die Molybdänscheibe 3 und presst diese auf den Vorsprung 2a des Bodens 2 auf.
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Die beiden Teile 2a und 3 berühren einander grossflächig mit geläppten metallischen Oberflächen.
Der Halteteil 11 sorgt für einen gleichmässigen Anpressdruck und gestattet gleichzeitig eine Wärmedehnung der miteinander in Berührung stehenden Teile, ohne dass diese sich voneinander abheben oder lösen.
Zweckmässig sind die Abmessungen der Molybdänscheibe 3, des Vorsprungs 2a und des Halteteils 11 in Richtung der Druckkraft und die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Teile so aufeinander abgestimmt, dass die Wärmeausdehnung des Halteteils 11 in Richtung der Druckkraft, d. h. also in Richtung der Symmetrieachse der gesamten Anordnung, gleich der Wärmeausdehnung der Teile 2a und 3 in dieser
Richtung ist.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel besteht die Trägerplatte 3 aus Molybdän, der Vorsprung 2a aus
Kupfer und der Halteteil 11 aus Stahl. In diesem Falle müssen sich die Abmessungen dieser Teile in Richtung der Druckkraft etwa wie 3 : 5 : 8 verhalten. Beispielsweise kann die Molybdänplatte 3 eine Dicke a von
3 mm, der Vorsprung 2a eine Höhe a von 5 mm und der Halteteil 11 eine Höhe as von 8 mm aufweisen.
Der Halteteil 11 wird indirekt durch den Rand des Halteteils 12 auf den Boden 2 gepresst, während dieser Halteteil 12, dessen Bohrung mit einem Gewinde versehen ist, direkt durch die Schrauben 13 ange- drückt wird. Über die Tellerfedern 9 und 10 und den Ring 8 übt der Teil 12 den notwendigen Anpressdruck auf den Stempel 7 aus.
Die Kapsel kann durch einen glockenförmigen Teil geschlossen werden, welcher aus den Einzelteilen 14-17 besteht. Zweckmässigerweise wird dieser glockenförmige Teil vor dem Aufbringen auf den Bo- den 2 aus seinen Einzelteilen zusammengebaut.
Ein ringförmiger Teil 14, der z. B. aus einer Fernicolegierung bestehen kann, ist mit einem ander Anlötstelle metallisierten Keramikteil 15 durch Lötung verbunden. Ein balgenförmiger Metallteil 16 ist ebenfalls mit dem Teil 15 durch Lötung verbunden. An diesem Teil 16 ist ein Teil 17 mit H-förmigem
Querschnitt, z. B. durch Schweissung, befestigt.
Nach dem Aufsetzen des aus den Teilen 14-17 bestehenden glockenförmigen Teils der Kapsel wird die Kapsel durch Umbördeln eines dafür vorgesehenen Randes des Bodenteils 2 verschlossen. Der Teil 17 wird mit dem Stempel 7 durch Anquetschen verbunden. In den oberen Teil des Teils 17 wird eine elek- trische Leitung 18, z. B. eine geflochtene Kupferlitze, eingeführt und mit dem Teil 17 ebenfalls durch Anquetschen verbunden.
Die gesamte Anordnung zeigt einen sehr stabilen mechanischen Aufbau und ist auch stärkeren Wärmewechselbeanspruchungen gewachsen.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau. Gleiche Teile wurden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Unterschiede bestehen darin, dass die Halteteile 11 und 12 nicht mit Hilfe von Schrauben am Boden 2 befestigt sind, sondern dass sie an diesem wie der glockenförmige Abschlussteil durch Bördelung befestigtsind.
Ausserdem ist zwischen dem Stempel 7 und der aus den Teilen 3 - 6 bestehenden eigentlichen Halbleiteranordnung ein weiterer, an dem Stempel 7 befestigter Teil 7 a eingefügt, welcher z. B. ebenfalls aus Molybdän bestehen kann. Diese Molybdänscheibe kann ebenfalls mit einer Silberschicht, z. B. einer hart aufgelöteten Silberfolie, versehen und durch schwaches Läppen mit einer definierten Bezugsfläche versehen sein. Vor dem Läppen kann auch diese Silberschicht mit einem erhabenen Muster versehen werden.
In Fig. 3 sind Teile einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung vor der Montage dargestellt, in Fig. 4 nach dem Zusammenbau. In Fig. 5 ist ein Teil einer Vorrichtung dargestellt, welche bei der Montage Verwendung findet. Bei dieser Ausführungsform ist der Halteteil über die Ebene der der Trägerplatte gegenüberliegenden Flachseite des Halbleiterkörpers hinaus verlängert und diese Verlängerung als Halterung für weitere Anschlussteile auf dieser Seite ausgebildet.
Die Halbleiteranordnung gemäss Fig. 4 besteht aus dem Anschlusskörper 2, welcher beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, und welcher einen Vorsprung 2a besitzt, auf dem die Trägerplatte 3 mit Hilfe eines klammerartigen Halteteils 26 starr gehalten wird. Vor dem Aufbringen der Trägerplatte 3, die beispielsweise aus Molybdän bestehen kann, auf die Oberseite des Vorsprungs 2a wird diese Oberseite zweckmässigerweise mit einer Silberauflage versehen, beispielsweise galvanisch versilbert. Sowohl die versilberte Oberseite des Vorsprungs, als auch die Unterseite der Trägerplatte 3 werden
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welche mit der Trägerplatte beispielsweise durch Legierung verbunden sein kann.
Das aus den Teilen 3-6 bestehende Aggregat kann beispielsweise den gleichen Aufbau wie das entsprechende Aggregat der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweisen
Vor dem Auflegen dieses Aggregats auf den Vorsprung 2a des Anschlusskörpers 2 wird mit diesem Anschlusskörper ein weiterer Teil 27 verbunden, welcher zum Halten des Halteteils 26 und weiterer Gehäuse-
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teile dient. Der Teil 27 kann auf dem Kühlkörper beispielsweise durch Hartlötung befestigt sein und aus
Stahl bestehen.
Die Oberseite der Halbleiteranordnung, also die Elektrode 6, die aus einem Gold-Silizium-Eutekti- kum besteht, wird ebenfalls plangeläppt, worauf ein stempelförmiger Teil auf diese Oberseite aufgesetzt werden kann. Dieser stempelförmige Teil wird zweckmässigerweise ebenfalls vor dem Zusammenbau aus einzelnen Teilen zusammengesetzt, nämlich aus einem Kupferbolzen 28, einer ebenfalls aus Kupfer bestehenden Kreisringscheibe 29 und einer Molybdänscheibe 30. Diese Teile sind ebenfalls zweckmässigerweise alle miteinander hart verlötet. Auch die Unterseite der Molybdänscheibe 30 ist zweckmässigerweise mit einer Silberauflage versehen, z. B. plattiert, und danach plangeläppt.
Auf diesen stempelförmigen Teil werden nun in folgender Reihenfolge eine beispielsweise aus Stahl bestehende Ringscheibe 31, eine Glimmerscheibe 32, eine weitere Stahlscheibe 33 und drei Tellerfedern 34, 35 und 36 aufgeschoben. Anschliessend werden der Halteteil 26, welcher glockenförmig ist, über den stempelförmigen Teil geschoben, die Tellerfedern zusammengedrückt und der Halteteil 26 mit Hilfe der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung 37 mit seinem Rand in eine Hinderdrehung des Teils 27 eingepresst.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ergibt sich ein sehr gedrängter Aufbau, bei dem alle Teile in ihrer genauen Lage zueinander festgehalten werden und demzufolge weder durch mechanische Erschütterung noch durch Wärmebewegungen verschoben werden können. Eine wichtige Rolle übernimmt hiebei die Glimmerscheibe 32, welche sowohl zur elektrischen Isolierung dient als auch zur Zentrierung des stempelförmigen Teils innerhalb des Halteteils 26 und damit auf der Halbleiteranordnung. Mit ihrem äusseren Rand liegt die Glimmerscheibe 32 an dem Halteteil 26 an, während sie mit ihrem inneren Rand den Kupferbolzen 28 berüht.
Zum Schluss wird ein glockenförmiger Gehäuseteil, welcher aus den Einzelteilen 38, 39, 40 und 41 besteht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An seinem unteren Ende wird der glockenförmige Gehäuseteil an den Teil 27 angebördelt, während der Kupferbolzen 28 durch eine Anquetschung mit dem Teil 41 verbunden wird. Der Teil 41 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, während die Teile 38 und 40 aus Stahl oder einer Fernicolegierung, wie Kovar oder Vacon, bestehen können. Der Teil 39, welcher zweckmässigerweise aus Keramik besteht, dient zur Isolierung. Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teilen 38 und 40 zusammenstösst, metallisiert, so dass diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden können. Ein Kabel 42 ist in den Teil 41 von aussen eingeschoben und ebenfalls durch Anquetschen mit diesem verbunden.
In Fig. 6 ist eine weiter verbesserte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der Fig. 4. Gleiche Teile wurden mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Neu hinzugekommen ist eine Silberschicht 29, die zwischen die Teile 2a und 3 eingefügt ist.
Gemäss den bisherigen Ausführungsbeispielen wird die Trägerplatte 3 auf den Vorsprung 2a des Kühlkörpers aufgelegt, nachdem dieser Vorsprung galvanisch versilbert wurde. Es zeigte sich, dass eine galvanische Versilberung in manchen Fällen nicht ausreichend ist, sondern dass es zweckmässig ist, eine dicke Silberschicht, beispielsweise eine Folie von 100 bis 200 J. L Stärke, auf den Vorsprung 2a des Kupferklotzes 2 aufzulegen. Bei einer Stärke der Silberschicht von mehr als 50 wird ein Durchdringen des Kupfers durch diese Silberschicht sicher verhindert. Eine derartig dicke Silberschicht ist auf galvanischem Wege schwierig herzustellen. Das Durchdringen des Kupfers muss deshalb verhindert werden, weil die Trägerplatte auf Kupfer schlecht in seitlicher Richtung gleiten kann.
Wie sich bei durchgeführten Versuchen zeigte, ist es nicht notwendig, diese Silberschicht 29 auf dem Kupferklotz durch Lötung od. dgl. zu befestigen, sondern es genügt, wenn sie lediglich zwischen den Vorsprung 2a des Anschlusskörpers und die Trägerplatte 3 eingelegt wird. Der Stromübergang und der Wärme- übergang werden durch diese Silberschicht nur in so geringem Masse behindert, dass diese Behinderung vernachlässigbar ist.
Diese Silberschicht 29 kann beispielsweise aus einer Silberfolie bestehen, welche auf beiden Seiten mit einem erhabenen Muster versehen ist, z. B. einem Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändelschrauben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Silberfolie ausgeglüht und anschliessend geätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich ein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt. Vorteilhaft werden die Oberseite des Vorsprungs 2a sowie die Unterseite der Molybdänscheibe 3 plangeläppt, wodurch ein guter Wärme- und Stromübergang zwischen diesen Teilen und der Silberfolie gewährleistet ist.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Silberschicht 7 in der Form eines Netzes aus feinen Silberdrähten auszuführen, beispielsweise aus Silberdraht mit 0, 05 - 0, 3 mm Drahtstärke. Vorteilhaft wird die Seite der Trägerplatte, mit der sie auf der Silberschicht aufliegt, vorher schwach graphitiert, z. B. mit Graphitpulver eingerieben.