DE1141029B

DE1141029B - Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1141029B
Application number: DES69069A
Authority: DE
Inventors: Hans Schering; Dipl-Ing Erich Waldkoetter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-06-23
Filing date: 1960-06-23
Publication date: 1962-12-13
Also published as: US3128419A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 69069 Vfflc/21g

ANMELDETAG: 23. JUNI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AÜSLEGESCHRIFT: 13. DEZEMBER 1962

Halbleiterelemente mit pn-Übergangsschichten in einkristallinen Halbleiterkörpern, ζ. Β. aus Germanium oder Silizium, müssen wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen in ein evakuiertes oder mit einem Schutzgas gefülltes Gehäuse eingeschlossen werden. Es ist üblich, das einschließlich seiner Elektroden fertiggestellte Halbleiterelement durch Weichlötung flächenhaft mit einer Wand des Gehäuses, z.B. dessen Boden, zu verbinden. Da das Gehäuse die Verlustwärme des Halbleiterelementes ableiten muß, wird es üblicherweise aus Kupfer mit entsprechend großen Wanddicken gefertigt, während die aufgelötete Elektrodenplatte des Halbleiterelementes im allgemeinen aus einem Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht, beispielsweise Mo-Iybdän oder Wolfram. Daraus ergibt sich, daß die Weichlotschicht bei Temperaturänderungen der Anordnung erheblichen thermischen Spannungen unterliegt. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Spannungen in der Weichlotschicht durch Einfügung von Zwischenkörpern zu vermindern, die den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten mindestens zum Teil überbrücken. Durch eine Verminderung der Spannungen in der Weichlotschicht wird deren Dauerfestigkeit und damit die Lebensdauer der gesamten Anordnung erheblich erhöht. Das ist insbesondere für solche Halbleiteranordnungen von Bedeutung, die durch häufiges Ein- und Ausschalten der Belastung thermisch besonders stark beansprucht werden, beispielsweise für Fahrzeug- oder Schweißgleichrichter.

Die Erfindung gibt eine weitere Lösung für das geschilderte Problem. Sie bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden ist, das zur Abführung der Verlustwärme bestimmt ist und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Elektrodenplatte. Sie besteht darin, daß zwischen der Elektrodenplatte und dem genannten Bauteil eine Ausgleichsplatte mit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser geringer Dicke angeordnet ist, die mosaikartig aus einer Vielzahl metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist. Infolge der Auflösung in eine Vielzahl von Einzelelementen ist die Ausgleichsplatte weitgehend in der Lage, thermischen Dehnungsvorgangen der Elektrodenplatte bzw. des metallischen Bauteiles, insbesondere des Gehäusebodens, zu folgen. Dehnen sich die beiden angrenzenden Flächen in verschiedenem Maße aus, so treten dabei lediglich verhältnismäßig geringe Scherungskräfte in den einzelnen Elementen der Ausgleichsplatte auf. Die Ausgleichsplatte stellt daher ein quasiplastisches Zwischen-Halbleiteranordnung und Verfahren
zu ihrer Herstellung

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Erich Waldkötter, Erlangen,

und Hans Schering, Berlin-Haselhorst,

sind als Erfinder genannt worden

element dar, das die Entstehung von thermischen Spannungen an seinen Grenzflächen weitgehend verhindert.

Die Einzelkörper der Ausgleichsplatten bestehen vorzugsweise aus Kupfer, das sich gut verlöten läßt und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Man wird möglichst reines und demzufolge duktiles Kupfer verwenden, wodurch die von der Ausgleichsplatte übertragenen Spannungen weiter herabgesetzt werden. Die Ausgleichsplatte kann beispielsweise aus Kupferstäben zusammengesetzt sein, deren Länge (senkrecht zur Ebene der Platte) sich zu ihrem Durchmesser mindestens etwa wie 2 :1 verhält.

Es ist bekannt, bei einer Halbleiteranordnung, deren Halbleiterkörper flächenhaft mit dem Boden eines Kupfergehäuses verbunden ist, die Stromzuführung zu der dem Gehäuseboden abgewandten Elektrode des Halbleiterkörpers als Kupfer- oder Silberseil auszubilden, das in eine durch einen Glasring gegen das Gehäuse isolierte Buchse mündet. Dieses Seil hat für die Ableitung der Verlustwärme praktisch keine Bedeutung, da seine Länge erheblich größer ist als sein Querschnitt und da die Buchse, zu der es führt, infolge der Umschließung durch den Glasring praktisch ebenfalls keine Wärme weiterleiten kann.

Es ist bei der bekannten Anordnung auch nicht ersichtlich, daß das Kupfer- oder Silberseil die Aufgabe oder die Wirkung hat, thermische Ausdehnungsunterschiede zwischen der Buchse und der Elektrodenplatte auszugleichen.

Die Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Silizium-pn-Gleichrichter üblichen Aufbaus dargestellt, wobei die Dickenmaße

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der einzelnen Schichten zur Verdeutlichung übertrieben sind. Mit 2 ist eine einkristalline Siliziumplatte bezeichnet, die in bekannter Weise zur Herstellung eines gleichrichtenden pn-Überganges dotiert ist. An der Unterseite der Siliziumplatte 2 befinden sich eine dünne Aluminiumschicht 3 und eine relativ dicke Molybdänplatte 4, die zur Verbesserung der Lötfähigkeit noch mit einer Eisen-Nickel-Legierung 5 plattiert sein kann. Auf der Oberseite der Siliziumplatte 2 liegen eine Goldschicht 6 und eine Molybdänplatte 7, die ebenfalls mit einer Eisen-Nickel-Legierung 8 versehen sein kann. Die relativ dicken Molybdänplatten 4 und 7 haben etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α = 5,1 · 10~^β · grad-¹ wie die mung der Anordnung auf Betriebstemperatur lockern, so daß die Stifte 9' frei arbeiten können.

Die obere Elektrodenplatte 7/8 des Halbleiterelementes 1 kann in an sich bekannter Weise mit einem nachgiebigen Leiterseil verbunden werden.

Zur Herstellung von Ausgleichsplatten für die Zwecke der Erfindung bestehen eine Reihe von Möglichkeiten. Man kann beispielsweise ein Bündel aus Kupferdrähten mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,1 bis 0,5 mm, die vorher, etwa durch Erhitzen in Luft oder Schwefelwasserstoff, oberflächlich oxydiert bzw. sulfidiert sind, mit möglichst enger Passung in ein Rohr einschieben. Das Rohr besteht vorzugsweise aus Aluminium. Der Durch-

Siliziumplatte 2 (α äs 5 · 10~⁶ · grad"¹); das gesamte 15 messer des Rohres wird nun durch Drücken (Rollen) Element 1 verhält sich daher bei Temperaturände-

1 verhält

rungen etwa wie ein einheitlicher Körper, da die dünnen Zwischenschichten 3 und 6 aus Aluminium bzw. Gold keine wesentlichen Spannungen erzeugen. Für die Elektrodenplatten 4 und 7 kann auch Wolfram (α = 4,5 · 10~^e · grad"¹) verwendet werden.

Mit 10 ist der Boden des das Element hermetisch abschließenden Gehäuses bezeichnet, das als dickwandiger Becher aus Kupfer (α = 16,5 · 10~⁶ · grad"¹) auf der Drehbank derart verringert, daß die Drähte eng zusammengepreßt werden. Von dem so erhaltenen, von einem Rohr umschlossenen Strang, der beispielsweise einen Durchmesser von 20 mm hat, können dann Scheiben passender Dicke, z. B. 2 mm, abgesägt werden. Durch das Zusammenpressen auf der Drehbank oder einer entsprechenden Einrichtung läßt sich ein so kompakter Zusammenhalt der kurzen Kupferdrahtstücke erzielen, daß die abgesägten Schei-

ausgebildet ist. Beim Zusammenbau der Anordnung 25 ben ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt ist das Element 1 auf den Gehäuseboden 10 aufzu- werden können.

löten. Da das Halbleiterelement 1 keine sehr hohen Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nach dem

Temperaturen verträgt, wird hierfür vorzugsweise eine Einschieben eines Drahtbündels in ein Rohr die Weichlötung verwendet, die sich bei Temperaturen Zwischenräume des Drahtbündels im Innern des

Rohres mit einem Kunstharz auszugießen und von dem so gefüllten Rohr Scheiben passender Dicke abzusägen. Für diesen Zweck muß ein Kunstharz verwendet werden, daß unter den bei Weichlötung auftretenden Temperaturen, also etwa 200° C, noch aus-35

um 200° C durchführen läßt.

Das Halbleiterelement 1 wird nun nicht unmittelbar auf dem Boden 10 des Gehäuses aufgelötet, sondern unter Zwischenlage einer Ausgleichsplatte 9. Die Platte 9, die in Fig. 2 in der Draufsicht dargestellt ist, ist aus einer Vielzahl von zylindrischen Kupfer-Drahtstiften 9' zusammengesetzt, die durch einen Ring 11 zusammengehalten werden. Zur Vorbereitung der Verlötung werden die beiderseitigen Stirnflächen der Kupferstifte 9' verzinnt, worauf dann die gesamte reichend beständig ist. Harze, die diese Voraussetzung erfüllen, sind beispielsweise handelsübliche Epoxyd- oder Silikonharze. Spröde Harze, wie z. B. Epoxydharze, reißen bei der Abkühlung der Ausgleichsplatte nach der Lötung auf, so daß die einzelnen metalli-

Ausgleichsplatte 9 zwischen den Bauelementen 5 und 40 sehen Elemente der Platte auch hier frei arbeiten 10 weich eingelötet wird. Um ein Einlaufen des Lotes können. Elastische oder gummiartig weiche Harze, zwischen die Kupferstifte 9' zu verhindern, sind die

Mantelflächen der Stifte 9' mit einer nicht lötbaren Schicht überzogen, z. B. oxydiert.

Beim Einlöten der Platte 9 zwischen den Teilen 5 und 10 befinden sich alle Teile auf der Löttemperatur von etwa 200° C. Thermische Spannungen bestehen nicht. Nach dem Abkühlen hat sich der Gehäuseboden 10 (Kupfer) wegen seines höheren Ausdehnungskoeffizienten stärker zusammengezogen als die Molybdänplatte 4; daraus ergibt sich, daß die Kupferstifte 9' im kalten Zustand etwas nach oben divergieren. Dadurch sind zwischen ihnen geringfügige Abstände entstanden, die es der Ausgleichsplatte 9 gestatten, den Dehnungen der angrenzenden Bauteile bei Temperaturänderungen im späteren Betrieb ohne Entstehung innerer Spannungen zu folgen.

Beim Einlöten der Platte 9 ist eine Verlötung des Ringes 11 mit dem Boden 10 bzw. der Plattierung 5 zu vermeiden; ferner soll das Material des Ringes 11 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben als das Material der Drähte 9', also Kupfer. Beide Forderungen werden z. B. von Aluminium erfüllt, das nicht ohne weiteres Lot annimmt und einen Ausdehnungskoeffizienten von 29 · 10~⁶ · grad"¹ besitzt. Infolge dieser Eigenschaften kann sich der Aluminiumring 11, der im kalten Zustand einen Druck auf die eingeschlossenen Stifte 9' ausübt, bei Erwärdie infolge dieser Eigenschaften nicht aufreißen, erzeugen aus den gleichen Gründen bei einer inneren Verformung der Platte nur geringe Gegenkräfte, so daß auch hier eine ausreichende Beweglichkeit der metallischen Einzelelemente gewährleistet ist.

Mit den genannten Verfahren läßt sich ein Kupferfüllfaktor der Ausgleichsplatte von etwa 75 bis 80 % erzielen. Im Vergleich mit der direkten Anlötung des Halbleiterelementes am Gehäuseboden wird also bei Verwendung einer solchen Ausgleichsplatte eine gewisse Verringerung des Wärmeleitquerschnittes in Kauf genommen, die jedoch nur eine Temperaturerhöhung des Halbleiterkristalls im Betrieb von wenigen Graden Celsius zur Folge hat.

Die Erfindung wurde an Hand des Aufbaus einer Silizium-Gleichrichteranordnung erläutert. Sie ist jedoch auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art verwendbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden ist, das zur Abführung der Verlustwärme bestimmt ist und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Elektrodenplatte, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen der Elektrodenplatte

und dem genannten Bauteil eine Ausgleichsplatte mit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser geringer Dicke angeordnet ist, die mosaikartig aus einer Vielzahl metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist. ·

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkörper aus Kupfer bestehen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsplatte aus Kupferstiften zusammengesetzt ist, deren Länge (senkrecht zur Ebene der Platte) sich zu ihrem Durchmesser mindestens etwa wie 2:1 verhält.

4. Verfahren zur Herstellung einer Ausgleichsplatte für eine Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drahtbündel mit möglichst enger Passung in ein Rohr eingeschoben wird, daß der Durchmesser des Rohres durch Drücken auf der Drehbank derart verringert wird, daß die Drähte eng zusammengepreßt werden, und daß dann von diesem Rohr Scheiben passender Dicke abgesägt werden.

5. Verfahren zur Herstellung einer Ausgleichsplatte für eine Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drahtbündel mit möglichst enger Passung in ein Rohr eingeschoben wird, daß die Zwischenräume des Drahtbündels im Innern des Rohres mit einem Kunstharz ausgegossen werden und daß dann von dem so gefüllten Rohr Scheiben passender Dicke abgesägt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kupferdrähten ein Rohr aus Aluminium benutzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1047 950,1050450.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen