DE1045551B

DE1045551B - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1045551B
Application number: DEW18249A
Authority: DE
Inventors: Ezekiel F Losco
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1955-01-20
Filing date: 1956-01-18
Publication date: 1958-12-04
Also published as: CH342659A; US2752541A; FR1094755A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, bei der der Halbleiterkörper mit seiner einen Anschlußplatte mit dem Boden eines hermetisch abgeschlossenen Behälters verbunden ist, während die andere Anschlußplatte mit einem nach außen führenden, isolierten Leiter verbunden ist.

Die nachstehend beschriebene Anordnung ist besonders geeignet für die Kapselung von Halbleitergleichrichtern mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, der einen flächenhaften p-n-Übergang aufweist, vor allem für Siliziumgleichrichter, obwohl ihre Brauchbarkeit nicht auf diese spezifische Anwendung beschränkt ist. Gleichrichter mit p-n-Übergang können in der Durchlaßrichtung Ströme von hoher Stromdichte führen und in Sperrichtung relativ hohe Spannungen aushalten; sie sind vor allem als Leistungsgleichrichter geeignet. Es ist gewöhnlich erforderlich, diese Anordnungen zum Schutz des p-n-Überganges gegen Feuchtigkeit hermetisch zu versiegeln und zu kapseln, da die Feuchtigkeit eine sehr nachteilige Wirkung auf die Eigenschaften der Anordnung hat. Die Aufgabe, Halbleiterleistungsgleichrichter zu kapseln, hat sich als recht schwierig erwiesen, besonders im Fall der Siliziumgleichrichter, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten können.

Bei einer befriedigenden Kapselung von Siliziumgleichrichtern muß die Anordnung in einem abgedichteten Bauteil aus einem Material oder einer Kombination von Materialien eingeschlossen werden, welche, abgesehen von dem Schutz des Gleichrichters gegen Feuchtigkeit, noch weiteren schwer zu erfüllenden Forderungen entsprechen müssen. Das Bauteil muß in der Lage sein, einen kontinuierlichen oder unterbrochenen Betrieb bei Temperaturen auszuhalten, die erheblich oberhalb von 200° C liegen; es muß ferner Temperaturwechsel innerhalb eines sehr weiten Temperaturbereiches ohne Beschädigung seiner Struktur und ohne Beschädigung der sehr zerbrechlichen Halbleiteranordnung aushalten können, die sich aus Unterschieden der thermischen Ausdehnung oder anderen Gründen ergeben könnten. Das Bauteil muß außerdem eine genügende Anpassungsfähigkeit haben, so daß Herstellungsvorgänge, wie z. B. Lötungen, bei noch höheren Temperaturen ohne Beschädigung der Halbleiteranordnung durchgeführt werden können; es muß ferner so ausgebildet sein, daß der Halbleiter gegen mechanische Beanspruchungen oder Stöße angemessen geschützt ist. Das Kapselungsmittel muß außerdem als elektrische Isolierung des Gleichrichters wirksam sein und eine mechanisch starre Konstruktion für den mechanischen Schutz aufweisen; außerdem muß es eine gute Wärmeabführung aus dem Halbleiterkörper erlauben, da diese Anordnungen eine ziemlich definierte Temperaturgrenze haben und eine Halbleiteranordnung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Januar 1955

Ezekiel F. Losco, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

wirksame Wärmeabführung erforderlich ist, wenn hohe Leistungswerte erreicht werden sollen. Es ist demnach ersichtlich, daß die Aufgabe, Siliziumgleichrichter zu kapseln, zahlreiche Schwierigkeiten einschließt.

Es ist bekannt, Halbleitergleichrichter in einem Behälter anzuordnen, der aus einer metallischen Grundplatte und einer keramischen Glocke besteht, wobei der Halbleiterkörper mit der Grundplatte flächenhaft verbunden ist. Bei dieser Anordnung kommt im wesentlichen nur die Grundplatte als Wärmeableitweg in Betracht. Es ist ferner bekannt, den Halbleiterkörper an dem Boden eines dosenartigen Blechbehälter anzuordnen. Hierbei ist wegen des geringen Blechquerschnittes für die Wärmeableitung im wesentlichen nur dasjenige Teil des Behälters, an dem der Halbleiterkörper unmittelbar anliegt, wirksam. Für Spitzengleichrichter ist weiterhin bereits eine Anordnung beschrieben worden, bei der die Zuleitung zum Spitzenkontakt zu ihrem mechanischen Schutz in eine Pulverfüllung eingebettet ist.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Halbleiteranordnung, bei der der Halbleiterkörper mit seiner einen Anschlußplatte mit dem Boden eines hermetisch abgeschlossenen Behälters verbunden ist, während die andere Anschlußplatte mit einem nach außen führenden, isolierten Leiter verbunden ist. Die Erfindung besteht darin, daß der Behälter als dickwandiger Metallkörper mit auf seiner Außenseite vorgesehenen Mitteln zur Wärmeabführung ausgebildet ist und zur Aufnahme des Halbleiterkörpers einen zentralen Hohlraum aufweist, von dem ein Teil in un-

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mittelbarer Umgebung des Halbleiterkörpers und der nicht isolierten Anschlußteile in an sich-, bekannter Weise durch eine Masse aus feinkörnigem-, hitzebeständigem, isolierendem Material ausgefüllt ist, während das übrige, vorzugsweise größere Teil des Hohlraumes mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes, das mit der Wand des Hohlraumes eine Lötverbindung bildet, ausgegossen ist. Die teilweise Füllung des Behälters durch eine Masse aus feinkörnigem Material hat im Rahmen der vorliegenden Erfindung — im Gegensatz zu der obenerwähnten bekannten Anordnung — in erster Linie den Zweck, einen Kurzschluß des Halbleiterelementes beim Ausgießen des Hohlraumes mit Metall zu verhüten. Dadurch wird es ermöglicht, einen Halbleiterkörper auf allen Seiten durch eine Behälterkonstruktion mit dicken metallischen Wänden zu umgeben, so daß für die Abführung der Verlustwärme metallische Leitwege großen Querschnittes zur Verfugung stehen und gleichzeitig ein wirksamer mechanischer Schutz des Halbleiterelementes gegeben ist. Außerdem ist durch hohe Wärmekapazität des dickwandigen Behälters und die metallische Füllung dafür gesorgt, daß die durch eventuelle Stoßbelastungen des Halbleiters auftretenden Temperaturerhöhungen gedämpft werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine gekapselte Gleichrichteranordnung, und zwar Fig. 1 in einem vertikalen Querschnitt, Fig. 2 in perspektivischer Ansicht.

Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Kapselung bei Halbleiteranordnungen jeder Art angewendet werden; sie ist besonders geeignet für Gleichrichter des p-n-Übergangstyps, vor allem für Siliziumgleichrichter. Sie ist in der Zeichnung in ihrer Anwendung bei einer Anordnung dieses Typs dargestellt. Die Gleichrichteranordnung ist nach der Zeichnung in einem Metallradiator 1, vorzugsweise aus Kupfer, angeordnet. Der Radiator besteht aus einem Körper, der zylindrische Form haben kann und mit radialen Kühlblechen 2 oder anderen geeigneten Mitteln versehen ist, die die Wärme von dem Radiatorkörper abführen. Dec Radiator 1 besitzt eine Zentralbohrung 3 und kann mit einem Gewindeloch 4 versehen sein, das zur Montierung der Anordnung oder zum Anschluß einer Sammelschiene oder eines anderen elektrischen Leiters dienen kann.

Die Halbleitergleichrichteranordnung selbst befindet sich in der Bohrung 3 des Radiators 1; sie kann von jeder geeigneten Art sein. Bei der in Fig. 1 dargestellten Gleichrichteranordnung sind die Dicken der verschiedenen Teile aus Gründen der Verdeutlichung erheblich übertrieben; sie besteht aus einem Halbleiterkörper 5, vorzugsweise Silizium, obwohl andere geeignete Halbleiterstoffe, wie z. B. Germanium, ebenfalls verwendet werden könnten. Der Halbleiter 5 hat vorzugsweise die Form einer dünnen Platte; er ist auf einer metallischen Kontakt- oder Anschlußplatte 6 mit Hilfe eines geeigneten Lotes 7 angebracht, welches einen ohmschen Konfakt zwischen der Platte 6 und dem Halbleiter.5 bildet und den Halbleiter mit einer dauerhaften Verbindung von guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit an der Platte befestigt.

Der Halbleiter 5 ist vorzugsweise vom η-Typ; ein gleichrichtender Übergang wird in ihm dadurch gebildet, daß ein sogenannter Akzeptor-Störstellenstoff 8 aufgebracht wird, welcher fähig ist, das Halbleitermaterial in p-Material umzuwandeln. Bei Silizium wird vorzugsweise Aluminium.als Akzeptorstoff benutzt, obwohl andere. geeignete Stoffe verwendet werden könnten, wie z.B. Indium, wenn der Halbleiter Germanium ist. Der Akzeptorstoff 8 wird auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers 5 aufgebracht; er legiert mit der Oberflächenschicht des Halbleiters und diffundiert in ihn hinein, so daß ein Teil des Halbleiters in p-Material umgewandelt und auf diese Weise ein gleichrichtender Übergang gebildet wird. Eine metallische Anschluß- oder Kontaktplatte 9 wird auf den Akzeptorstoff 8 aufgebracht; sie ist mit ihm durch eine dauerhafte Verbindung mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit vereinigt. Die metallischen Anschlußplatten 6 und 9 dienen gleichzeitig zur mechanischen Stützung des verhältnismäßig zerbrechlichen Halbleitermaterials und zur Bildung elektrischer Anschlüsse; sie bestehen vorzugsweise aus Molybdän wegen dessen verhältnismäßig guter thermischer Leitfähigkeit und da die thermische Ausdehnung des Molybdäns der des Siliziums und des Germaniums sehr nahe kommt.

Der Halbleitergleichrichter ist, wie oben beschrieben, als Einzelzelle ausgebildet. Die vollständige Gleichrichterzelle ist in der Bohrung 3 des Radiators 1 angeordnet, und die untere Anschlußplatte 6 ist mit der Bodenfläche der Bohrung durch eine Lotschicht verbunden, welche die Zelle dauerhaft über eine Verbindung mit guter thermischer Leitfähigkeit an dem Radiator befestigt. Wie bei 12 angedeutet, ist ein biegsamer Leiter 11 an die obere Anschlußplatte 9 angelötet; er erstreckt sich aus der Bohrung 3 heraus nach oben. Der Leiter 11 ist ein biegsamer Leiter irgendeines geeigneten Typs, und das Teil des Leiters, das sich innerhalb der Bohrung 3 oberhalb des Lotes 12 befindet, ist mit einem geeigneten wärmebeständigen Isoliermaterial 13 abgedeckt, vorzugsweise Silikonkautschuk oder einem Material mit gleichwertigen Eigenschaften. Das isolierte Teil des Leiters 11 innerhalb der Bohrung 3 hat im wesentlichen Zickzackform, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, so daß es eine erhebliche Biegsamkeit aufweist und mechanische Beanspruchungen, die durch den Leiter 11 auf den Halbleiter ausgeübt werden könnten, auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Nachdem die Halbleitergleichrichterzelle in die Bohrung 3 gelötet und.der Leiter 11 angelötet ist, was gleichzeitig geschehen kann, wird die Gleichrichterzelle mit einer Masse mehr oder weniger nachgiebigen Isoliermaterials umgeben. Zu diesem Zweck wird ein feinkörniger, wärmebeständiger Isolierstoff 14 verwendet, vorzugsweise Magnesiumoxyd, obwohl auch andere Isolierstoffe ähnlicher Eigenschaften verwendet werden können. Das Magnesiumoxyd ist feinkörnig, vorzugsweise in ,der Größenordnung von 600 Mesh (etwa 25 Mikron Korndurchrhesser); -es wird zu seiner Verwendung mit Methylalkohol vermischt, so daß es einen dünnen Brei bildet. Diese Mischung wird in die Bohrung 3 des Radiators 1 gegossen, und zwar bis zu einer Tiefe, die ausreicht, die Zelle selbst und das nicht isolierte untere Ende des Leiters 11 zu bedecken, so daß alle metallischen Teile vollständig durch das Magnesiumoxyd bedeckt sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Verwendung eines Alkoholbreis des Magnesiumoxyds wird deswegen bevorzugt, weil damit die Gewähr gegeben ist, daß keine Feuchtigkeit anwesend ist und kein Wasserdampf in Kontakt mit dem gleichrichtenden · Übergang gelangen kann, da selbst verhältnismäßig kleine Feuchtigkeitsspuren einen sehr nachteiligen Effekt auf die gleichrichtenden Eigenschaften des Übergangs haben.

Nachdem der Brei in die Bohrung 3 gegossen ist, wird der Alkohol. durch. Erhitzung der Anordnung verflüchtigt und entfernt, -vorzugsweise bei einer Tem-

peratur in der Größenordnung von 150° C während einer halben Stunde, so daß der gesamte Alkohol ausgetrieben wird. Wenn die Mischung auf diese Weise getrocknet ist, verbleibt das feinkörnige Magnesiumoxyd als eine teilweise verbackene Masse rund um die Gleichrichterzelle in dem Radiator, wobei also die Masse im wesentlichen einen Pulverkuchen darstellt. Das Material ist also nicht vollständig fest, sondern ausreichend porös, so daß es in gewissem Maße nachgiebig ist und eine Ausdehnung und Zusammenziehung der Gleichrichterzelle erlaubt, die infolge von Temperaturänderungen eintreten können, ohne daß erhebliche mechanische Beanspruchungen auf den Halbleiter ausgeübt werden.

Nachdem das Magnesiumoxyd auf diese Weise eingebracht ist, wird die Bohrung 3 mit einem Metall 15 gefüllt, wobei vorzugsweise die Anordnung nicht unter 100° C gekühlt wird, um zu verhüten, daß irgendeine Spur von Feuchtigkeit in der Anordnung verbleibt. Irgendein geeignetes Metall mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt kann verwendet werden; es wurde gefunden, daß reines Zinn für diesen Zweck ein sehr geeignetes Material ist. Das Zinn 15 wird geschmolzen und in die Bohrung 3 gegossen, so daß es die Bohrung oberhalb des Magnesiumoxyds im wesentlichen füllt. Das teilweise verbackene, feinkörnige Magnesiumoxyd ist genügend porös, so daß es etwas nachgiebig ist, wie es oben erläutert wurde: es ist jedoch nicht so porös, daß es das geschmolzene Zinn eindringen läßt, so daß die Gleichrichterzelle selbst gegen das Metall geschützt und isoliert ist. Beim Kühlen bildet das Zinn eine Lötverbindung mit der umgebenden Kupferwand des Radiators 1 und eine starre Trägerbauform für die Gleichrichterzelle, welche auf diese Weise in einem starren metallischen Bauteil vollständig eingeschlossen ist. Während der Verfestigung neigt das Zinn 15 dazu, sich durch Schrumpfung etwas von dem Leiter 11 zu entfernen, so daß der Leiter etwas biegsam bleibt; das ist insofern erwünscht, als dadurch jede Möglichkeit verhütet wird, daß die Gleichrichterzelle durch den Leiter mechanisch beansprucht wird.

Die Anordnung wird vervollständigt durch das Schließen und Abdichten des oberen Endes der Bohrung 3. Dies kann dadurch geschehen, daß der Leiter 11 mit Hilfe einer Glasbuchse 16 abgedichtet wird, die an eine innere Hülse 17 und einen äußeren Flansch 18 angeschmolzen ist. Die Hülse 17 und der Flansch 18 können aus einem Metall bestehen, welches mit Glas eine dauerhafte, luftdichte Verbindung bildet. Die innere Hülse 17 ist bei 19 an den Leiter 11 angelötet, während der Flansch 18 bei 20 an die Oberfläche des Radiators 1 gelötet ist. Auf diese Weise ist die Anordnung vollständig hermetisch abgedichtet, und der Leiter 11 ist durch die Buchse 16 gegen den Radiator isoliert.

Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Gleichrichteranordnung derart ausgebildet ist, daß die oben umrissenen Erläuterungen voll erfüllt werden. Die Gleichrichterzelle ist vollständig hermetisch abgedichtet und von einer starren Bauform umschlossen, welche sie unterstützt und gegen mechanische Beanspruchungen oder Stöße schützt. Die Gleichrichterzelle selbst ist gegen die metallische Umschließung angemessen isoliert, wobei die Isolierung eine ausreichende Nachgiebigkeit aufweist, so daß eine thermische Ausdehnung ohne wesentliche mechanische Beanspruchungen der Zelle möglich ist. Die Anordnung kann demnach bei hohen Temperaturen oder mit Temperaturänderungen in einem weiten Bereich betrieben werden, ohne daß die Gleichrichterzelle nachteilig beeinflußt wird. Die Halbleiteranordnung steht in guter Wärmeaustausehbeziehung mit der umgebenden Metallteile, da sie direkt an den Radiator angelötet ist: die Wärme fließt zum Radiatorkörper, der eine hohe Wärmekapazität aufweist, und wird durch Rippen 2 oder andere Kühlmittel abgeführt, so daß verhältnismäßig hohe Ströme ohne Überschreitung der Temperaturgrenze geführt werden können. Es wurde demnach ein gekapselter Halbleitergleichrichter geschaffen, welcher für die härtesten Betriebsbedingungen geeignet ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, bei der der Halbleiterkörper mit seiner einen Anschlußplatte mit dem Boden eines hermetisch abgeschlossenen Behälters verbunden ist, während die andere Anschlußplatte mit einem nach außen führenden, isolierten Leiter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter als dickwandiger Metallkörper mit auf seiner Außenseite vorgesehenen Mitteln zur Wärmeabführung ausgebildet ist und zur Aufnahme des Halbleiterkörpers einen zentralen Hohlraum aufweist, von dem ein Teil in unmittelbarer Umgebung des Halbleiterkörpers und der nicht isolierten Anschlußteile in an sich bekannter Weise durch eine Masse aus feinkörnigem, hitzebeständigem, isolierendem Material ausgefüllt ist, während das übrige, vorzugsweise größere Teil des Hohlraumes mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes, das mit der Wand des Hohlraumes eine Lötverbindung bildet, ausgegossen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Halbleiterkörper aus Silizium mit p-n-Übergang aufweist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit dem Boden des Behälters verlötet ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen führende Leiter biegsam ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter innerhalb des Behälters in mehreren Windungen gekrümmt ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung des Leiters aus Silikonkautschuk besteht.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall niedrigen Schmelzpunktes nicht an dem Leiter anliegt.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen führende Leiter durch eine Glas-Metall-Verschmelzung mit dem Behälter abgedichtet ist.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter auf seiner Außenseite mit Kühlrippen versehen ist.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus Kupfer besteht.

11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ihre Verwendung für p-n-Leistungsgleichrichter.

12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1 oder einem der fol-

genden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einer breiförmigen Aufschwemmung von feinkörnigem Magnesiumoxyd, vorzugsweise mit einem Korndurchmesser von etwa 25 Mikron, in Methylalkohol bedeckt wird, daß danach der Alkohol durch Erhitzen der Anordnung verdampft wird und daß die Anordnung bis zur Herstellung des hermetischen Verschlusses nicht unter 100° C gekühlt wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung gemäß den Ansprüchen 1, 7 oder 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der restliche, nicht von isolierendem Material ausgefüllte Teilraum des Behälterinneren mit Zinn ausgegossen wird, das mit der Innenwand des Kupferbehälters eine Lötverbindung eingeht und beim Erstarren durch Schrumpfung einen freien Raum in der Umgebung des Leiters bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 572 801, 2 665 399;
französische Patentschrift Nr. 1 086 898.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen