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Halbleiteranordnung
Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen Stromzuführungsteile nicht durch Anlegieren, Anlöten od. dgl. an dem Halbleiterkörper befestigt werden, sondern lediglich unter Druck auf die Halbleiteroberfläche aufgesetzt sind. Derartige Stromzuführungsteile bestehen meistens aus einem vorzugsweise S-förmigen Metalldraht, z. B. Wolframdraht, welcher mit einer Spitze auf die Halbleiteroberfläche aufgesetzt ist und mit dieser einen gleichrichtenden bzw. ohmschen Kontakt bildet. Durch Formierung vermittels eines Stromstosses kann der aufgesetzte Stromzuführungsteil mit dem Halbleiterkörper verschweisst werden.
Derartige Halbleiteranordnungen weisen den Nachteil auf, dass bei höheren Beanspruchungen und Waimewechselbeanspruchungen die Berührungsfläche zwischen dem Stromzuführungsteil und dem Halbleitermaterial lediglich an einzelnen Punkten Strom führt, was zu einer Überlastung dieser Berührung- punkte und damit zu einer Beschädigung bzw. Zerstörung der Halbleiteranordnung führen kann. Es wurden deshalb bisher derartige Halbleiteranordnungen nur mit Stromzuführungsteilen in Form von Drähten, d. h. also mit Kontaktflächen unter etwa 1 mm2 Grösse hergestellt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Halbleiteranordnung zu vermeiden und eine betriebssichere, auf die Dauer auch bei häufig wechselnden elektrischen Beanspruchungen beständige Druckkontaktverbindung zwischen dem Halbleiterkörper einerseits und einem aus gut leitendem Metall bestehenden Anschlusskörper anderseits zu schaffen. Demgemäss betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und mit einem metallenen Stromzuführungsteil.
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hohem Grade eben ist, dass die beiderseitigen Abweichungen der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene nicht grösser sind als die Rauhtiefe.
Eine solche Druckkomaktverbindung hat den Vorteil, dass die beiden Kontaktflächen in seitlichen, zum Stromzufluss annähernd senkrechten Richtungen aufeinander gleiten können, so dass sich im Betrieb die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Halbleiterkörpers und des Anschlusskörpers ausgleichen können, ohne mechanische Spannungen hervorzurufen.
Versuche haben ergeben, dass auch bei häufigem Wechsel der elektrischen Beanspruchung zwischen Null und dem höchstzulässigen Stromwert die guten Übergangseigenschaften sowohl für den elektrischen Strom als auch für die Wärme bei der neuen Druckkontaktverbindung auf die Dauer nicht beeinträchtigt werden ; im Gegenteil, es wurden sogar Verbesserngen dieser Eigenschaften im Laufe des Betriebes beobachtet, die folgendermassen zu erklären sind : Anfänglich bestehen zwischen den beiden Kontaktflächen infolge ihrer Rauhigkeit eine Vielzahl von Punktkontakten, gebildet durch Vorsprünge, welche die Gegenfläche berühren. Die Vorsprünge werden durch die im Betrieb auftretenden seitlichen Bewegungen bei dem gleichzeitig herrschenden hohen Flächendruck
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abgeplattet, so dass die gesamte wirksame Kontaktfläche grösser wird.
Diese Erklärung wird durch die wei- tere Beobachtung gestützt, dass die ursprünglich matt aussehenden Kontaktflächen nach einer gewissen Betriebsdauer ein glänzendes Aussehen erhielten, u. zw. nach ihrem Rande hin mehr als nach ihrer Mitte hin-entsprechend den nach aussen zunehmenden Weglängen ihrer relativen Wärmedehnungsbewegungen.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert werden :
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Kontaktfläche und dient lediglich zur Veranschauli- chung der Begriffe"Rauhtiefe"und"gemittelte Fläche". In den Fig. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der neuen Druckkontaktverbindung in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel von Halbleiteranordnungen mit der neuen Druckkontaktverbindung.
In Fig. l bezeichnet K einen Teil eines Druckkontaktes mit einer gleichmässig aufgerauhten Kontaktfläche F in stark vergrössertem Massstab. Die senkrechten Abmessungen sind hier noch wesentlich stärker vergrössert als die waagrechten, damit die Rauhigkeit deutlich erkennbar ist. Das Mass b gibt die Rauhtiefe an. Es ist zwischen dem Grund einer Vertiefung und der am weitesten nach aussen ragenden Stelle eines benachbarten Vorsprunges eingezeichnet und soll den über die gesamte Kontaktfläche F gemittelten Wert dieser Masse bedeuten, unter der Voraussetzung, dass die Werte der einzelnen Masse wegen der Gleichmässigkeit der Aufrauhung nicht wesentlich voneinander abweichen.
Aus der aufgerauhten Oberfläche F ist die durch eine gestrichelte Linie dargestellte gemittelte Fläche Fm in der Weise gebildet, dass das Gesamtvolumen aller Vertiefungen gegenüber der Fläche Fm gleich dem Gesamtvolumen aller über die Flä- che Fm hinausragenden Vorsprünge ist. Ferner ist durch die gemittelte Fläche Fm eine zur Zeichenebene senkrechte geometrische Ebene E, dargestellt durch eine strichpunktierte Linie, so hindurchgelegt, dass die beiderseitigen grössten Abweichungen zwischen den beiden Flächen gleich gross sind. Die grösste Abweichung der Fläche Fm von der Ebene E nach oben ist mit al bezeichnet und liegt etwa in der Mitte der Kontaktfläche.
Die grössten Abweichungen der Fläche Pm von der Ebene E nach unten liegen am Rande und sind mit a bezeichnet. Die Lage csr Ebene E ist also dadurch definiert, dass al gleich az ist. Etwaige Abrundungen am äusseren Rande der Kontaktfläche sind hiebei eliminiert, indem die gestrichelte Linie Fm zum Rande hin mit gleicher Krümmung verlängert ist wie in der anschliessenden, nicht wesentlich abgerundeten Ringzone. Die Schnittpunkte dieser Verlängerungen mit den seitlichen Begrenzungslinien des Kontaktes K bilden jeweils den einen Endpunkt des Masses a, dessen anderer Endpunkt durch die geo-
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genügen würde.
Demgegenüber sind die Bedingungen der Erfindung bei dem Kontakt K erfüllt, von dem in Fig. 2 und 3 jeweils ein Teil in einem der Fig. l ähnlichen Massstabsverhältnis und in gleicher Weise im Schnitt dargestellt ist, denn hier ist die gemittelte Kontaktfläche praktisch eben. Eine derartige Flächengestalt kann durch das bekannte Läppverfahren hergestellt werden, indem dazu ein Schleifmittel von so feiner Körnung verwendet wird, dass die vorgeschriebene Rauhtiefe erreicht wird. Dabei kann als Läpphilfsmittel eine an sich für diesen Zweck gebräuchliche Ölsorte verwendet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Glycerin als Läpphilfsmittel erwiesen, weil dieses in einfacher Weise mit destilliertem Wasser abwaschbar ist.
Als Beispiel sei angenommen, dass der Kontaktteil K 1 mit dem Halbleiterkörper iden-
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higkeit als die Gegenkontaktfläche. Es sei beispielsweise angenommen, dass die Kontaktfläche von K2 durch Polieren geglättet ist. Durch eine derartige Oberflächenbehandlung wird bekanntlich in der Regel eine Wölbung der bearbeiteten Oberfläche und eine Abrundung der Aussenkante hervorgerufen, wie die Fig. 2 darstellt. Diese Wölbung ist als unschädlich im Sinne der Erfindung anzusehen, wenn die beiderseitige Abweichung der polierten Kontaktfläche von einer geometrischen Ebene E nicht grösser ist als die Rauhtiefe der Gegenkontaktfläche. Diese Bedingung ist gemäss Fig. 2 erfüllt, wenn man von den Abrundungen der Aussenkante absieht, wie im Zusammenhang mit Fig. l oben erläutert.
In diesem Fall kann bei ausreichender Höhe des Kontaktdruckes praktisch die gesamte Kontaktfläche als tragend angesehen werden, weil durch den Kontaktdruck eine entsprechende, teils bleibende teils elastische Verformung der Vorsprünge der Gegenkontaktfläche K hervorgerufen wird. Durch stärkere Randabrundung wird die wirk-
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same Kontaktfläche um eine entsprechende Randzone vermindert.
Nach Fig. 3 ist auch bei dem unteren Kontakt K, die Kontaktfläche unter Verwendung eines entspre- chend feinkörnigen Schleifpulvers geläppt, wodurch eine Wölbung der Kontaktfläche und eine Abrundung der Aussenkante im wesentlichen vermieden werden.
Ist der Kontakt K2 bzw. K, wie schon erwähnt, Bestandteil eines Anschlusskörpers, der zur Stromzuführung und gegebenenfalls zur Wärmeabfuhr dient, der ferner aus Kupfer besteht und an der Kontaktfläche mit einer Silberauflage versehen ist, so besteht wegen der verhältnismässig hohen Diffusionsgeschwindigkeit von Kupfer in Silber bei zu geringer Dicke der Silberschicht die Gefahr, dass nach mehr oder weniger langer Betriebsdauer so viel Kupfer bis zur Kontaktfläche hindurchgelangt, dass dort die Eigenschaften des Halbleitermaterials durch Eindiffusion von Kupfer merklich verschlechtert werden. Zur Vermeidung dieser Gefahr muss die Silberauflage eine genügende Dicke haben. Als ausreichend hat sich eine Dicke zwischen 0,05 und 0,3 mm erwiesen.
Innerhalb dieses Bereiches ist ein umso höherer Wert zu wählen, je grösser die zu erwartende Wechselhäufigkeit der elektrischen Beanspruchung ist. Der kleinste Wert erscheint beispielsweise ausreichend für Gleichrichter, die zur Speisung von Elektrolysebädern und andern Verbrauchern mit zeitlich gleichmässiger Belastung bestimmt sind, während grössere Werte bis zur oberen Grenze des genannten Bereiches, 0 z. B. für Fahrzeug-Gleichrichter und Schweissgleichrichter, erforderlich sein können.
Silberauflagen von einer solchen grösseren Dicke sind auf elektrolytischem oder elektrophoretischem Wege ziemlich schwierig herzustellen, vor allem im Hinblick auf die unumgänglich notwendige Gleichmässigkeit ihrer Dicke über die verhältnismässig grosse Kontaktfläche. Diese Aufbringungsmethoden wären infolgedessen umständlich und langwierig. Einfacher ist es, eine durch Walzen mit gleichmässiger Dicke hergestellte Silberfolie zwischen die Kontaktflächen zu legen. Eine solche Silberfolie, die vorteilhaft noch im Vakuum ausgeglüht sein kann, lässt sich mit demjenigen Teil der Druckkontaktverbindung, der aus einem mit Silber leicht legierenden Metall wie Kupfer besteht, durch mässige Erwärmung fest verbinden.
Die vorerwähnte hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Kupfers im Silber ist in diesem Falle erwünscht, weil sie die Befestigung der Silberauflage auf dem Kupferteil durch Diffusion begünstigt.
Die erwähnte mässige Erwärmung kann in einem besonderen Behandlungsvorgang der Druckkontaktver- bindung bei ausreichender Druckhöhe herbeigeführt werden. Da die hiezu erforderliche Temperatur niedriger sein kann als die höchstzulässige Betriebstemperatur, so kann die Befestigung der Silberfolie auf der kupfernen Unterlage auch durch einen Probebetrieb der fertigen Halbleiteranordnung mit im wesentlichen konstanter Belastung oder auch durch endgültige Inbetriebnahme der Halbleiterzelle mit wenigstens anfangs geringer Wechselhäufigkeit erfolgen.
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die beiden Kontaktflächen im Mittel von einer Ebene abweichen.
Für die Kontaktanordnung nach Fig. 2 ist also eine Druckhöhe an der oberen Grenze des genannten Bereiches zu wählen, während für eine Kontaktanordnung gemäss Fig. 3 oder ähnlich eine Druckhöhe in der Nähe der unteren Bereichsgrenze genügen dürfte.
Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf die Verwendung von Silber als Edelmetall. Für andere Edelmetalle wie Gold und Platin können die beschriebenen Anordnungen auf Grund der bekannten Eigenschaften dieser Metalle sinngemäss abgewandelt werden.
Zweckmässigerweise wird der Halbleiterkörper auf beiden Seiten von einem derartigen Druckkontakt eingeschlossen, d. h. also, mit zwei parallelen Flächen versehen, auf welche zwei Stromzuführungsteile aufgesetzt werden, welche dann mit einem Druck von etwa 100 bis 500 kg/cm2 gegeneinander verspannt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, lediglich auf einer Seite eine derartige Druckkontaktverbindung vorzusehen, wogegen auf der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers eine Verbindung in herkömmlicher Weise durch Legierung, Lötung u. dgl. erfolgen kann. Zweckmässigerweise wird in diesem Fall der Halbleiterkörper auf dieser Seite mit einer Trägerplatte versehen, welche aus einem Metall besteht, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem des Halbleitermaterials aufweist, z.
B. aus Molybdän bei Silizium bzw. Germanium.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, den Halbleiterkörper an der Berührungsfläche so zu behandeln, dass er hier metallische bzw. quasimetallische Leitung aufweist. Er kann also z. B. an dieser Stelle so hoch dotiert sein, dass er praktisch metallisch leitend ist. Die Berührungsfläche sollte also eine Dotierungskonzentration von wenigstens angenähert 1020 cm-s aufweisen. Die Dotierungskonzentration kann zum Inneren des Halbleiterkörpers kontinuierlich bzw. sprunghaft abfallen. Eine andere Möglichkeit be- steht in einem dünnen Metallüberzug der Berührungsfläche.
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Vorteilhaftwird der Halbleiterkörperdeshalb an der Stelle bzw. an den Stellen, an denen Druckkon- takte aufgesetzt werden, mit einem dünnen Metallüberzug versehen. Dieser Metallüberzug hat zweekmä- ssigerweise eine Dicke von 5 bis 10 u und kann beispielsweise aus Nickel bestehen, welches z. B. che- misch, galvanisch oder durch Zementation oder Aufdampfen auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird. In entsprechender Weise kann eine Vergoldung bzw. Versilberung vorgenommen werden. Auch an- dere Metalle wie Palladium, Gallium, Aluminium und Indium können durch Aufdampfen in dünnen
Schichten auf dem Halbleitermaterial niedergeschlagen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Aufbrin- gung einer derart dünnen Metallauflage besteht darin, dass Gallium, welches einen sehr niedrigen Schmelzpunkt besitzt, lediglich mechanisch auf die Halbleiteroberfläche aufgerieben wird. Zweckmässig wird die letztgenannte Massnahme auf p-leitende Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers beschränkt, wogegen sich für die sperrfreie Kontaktierung von n-Ieitenden Bereichen besonders ein dünner Nickelüber- zug bewährt hat.
Der Kühlkörper der Halbleiteranordnung gemäss Fig. 4 besteht aus einem massiven Kupferklotz 2 mit einem Vorsprung 2a, auf dem z. B. eine Molybdänplatte 4 mit Hilfe eines Hartlotes befestigt ist. Ein ring- förmiger Steg 3a dient zum Anbördeln eines Halteteiles 17. Der hochgezogene Rand 3b des Kupferklotzes dient zum Anbördeln weiterer Gehäuseteile, wie unten angegeben. Das Herzstück der Anordnung bildet die Halbleiterscheibe 5.
Die Halbleiterscheibe 5 kann beispielsweise aus einer Halbleiteranordnung bestehen, welche durch Diffusion, durch epitaxiales Aufwachsen von Schichten oder durch Ziehen aus der Schmelze, z. B. nach derCzochralski-Methode, hergestellt wurde. Man kann beispielsweise auf einer Halbleiterscheibe des einen Leitfähigkeitstyps durch Zersetzung von gasförmigen Verbindungen des gleichen oder eines andern Halbleitermaterials Schichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps erzeugen, wodurch Halbleiternordnungen mit unterschiedlichem Schichtenaufbau hergestellt werden können. Beim Ziehen aus der Schmelze nach der Czochralski-Methode kann durch Beifügung von Verunreinigungen dem aufwachsenden Kristall eine Schichtenfolge aufgezwungen werden, welche zur Herstellung von Halbleiteranordnungen geeignet ist.
Aus einem derartig gezogenen Einkristall. z. B. aus Germanium, können durch Schnitte längs dieser Schichtenfolge viele derartige Halbleiteranordnungen gewonnen werden.
Als spezielles Beispiel für eine derartige Halbleiterscheibe 5, wie sie in der gekapselten Halbleiteranordnung gemäss Fig. 4 verwendet wird, sei die Herstellung einer Halbleiteranordnung nach dem Diffusionsverfahren geschildert. Man geht beispielsweise von hochohmigemp-Silizium ( grösser als 200 Ohm cm) von zirka 500 J. L Dicke und 18 mm Durchmesser aus. In diese Halbleiterscheibe wird allseitig Phosphor eindiffundiert, indem sie beispielsweise sechzehn Stunden lang bei 12800C in einer Atmosphäre von RjO getempert wird. Gleichzeitig mit der Diffusion oder dieser nachfolgend wird eine Oxydation der Oberfläche vorgenommen. Anschliessend wird eine Flachseite der Halbleiterscheibe abgeläppt, wonach die
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Auf diesen stempelförmigen Teil sind eine beispielsweise aus Stahl bestehende Ringscheibe 11, eine
Glimmerscheibe 12, eine weitere Stahlscheibe 13 und drei Tellerfedern 14, 15 und 16 aufgeschoben. Zu- letzt ist ein glockenförmiger Halteteil 17 über den Kupferbolzen 8 geschoben. Dieser hat unten einen
Flansch, der mit Hilfe des Steges 3a angebördelt ist. Der obere Rand des Halteteiles 17 ist nach innen gezogen und bildet das Widerlager für die Tellerfedern.
Wie Fig. 4 zeigt, 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 Wär- bewegungen verschoben werden können. Eine wichtige Rolle übernimmt hiebei die Glimmerscheibe 12, welche sowohl zur elektrischen Isolierung des Halteteiles 17 von der Oberseite der Halbleiteranordnung dient, als auch zur Zentrierung des Bolzens 8. Zu diesem Zweck liegt der äussere Rand der Glimmer- scheibe 12 an der zylindrischen Innenwand des Halteteiles 17 an, während ihr innerer Rand den Kupferbolzen 8 berührt.
Schliesslich ist ein glockenförmiger Gehäuseteil, welcher aus den Einzelteilen 18, 19, 20 und 21 be- steht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An seinem unteren Ende ist der Teil 18 mit Hilfe des Randes 3b angebördelt, während der Kupferbolzen 8 durch eine Anquetschung mit dem Teil 21 verbunden wird. Der Teil 21 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, während die Teile 18 und 20 aus Stahl oder einer Fernico-Legierung wie Kovar oder Vacon bestehen können. Die Teile 20 und 21 sind miteinander verlötet oder verschweisst. Der Teil 19, welcher zweckmässig aus Keramik besteht, dient zur Isolierung.
Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teilen 18 und 20 zusammenstösst, metallisiert, so dass diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden können. Ein Kabel 22 ist in den Teil 21 von aussen eingeschoben und ebenfalls durch Anquetschung mit diesem verbunden.
Selbstverständlich kann die Halbleiteranordnung auch einen andern als den beschriebenen Aufbau aufweisen. Es kann sich also beispielsweise um einen Halbleiterkörper aus Germanium handeln. Die Trägerplatte 4 kann beispielsweise aus gewissen hochlegierten Stahlsorten, insbesondere mit Nickel- und Kobaltgehalt, bestehen, welche einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Germanium oder Silizium aufweisen. Der Halbleiterkörper kann auch aus Siliziumkarbid bestehen oder aus einer inermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. oder der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems.
Eine wichtige Eigenschaft der beschriebenen Anordnung ist darin zu sehen, dass der Halbleiterkörper 5 auch gegebenenfalls umgekehrt wie in dem ausgeführten Beispiel in das Gehäuse eingebaut werden kann. Es können also auf diese Weise Halbleiterdioden unterschiedlicher Polarität mit vollkommen gleichem äusseren Aufbau, mit übereinstimmenden Charakteristiken und auch mit ähnlichem Innenaufbau hergestellt werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich durchwegs auf Gleichrichter. Die Erfindung ist aber nicht auf solche beschränkt, sondern kann auch bei andern Halbleiterdioden mit und ohne pn- Übergang angewendet werden, ferner bei Halbleitertrioden, wie Transistoren, Vierschichtanordnungen (pnpn) mit Stromtorcharakter, Photoelementen und Phototransistoren sowie bei Vielfachanordnungen, bei denen mehrere derartige Dioden oder bzw. und Trioden in einem einzigen Halbleiterkörper vereinigt sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und mit einem metallenen Stromzuführungsteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromzu-
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