DE1539645A1

DE1539645A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1539645A1
Application number: DE19661539645
Authority: DE
Inventors: Andersson Nils Eric
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1965-05-28
Filing date: 1966-05-14
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3447042A; GB1139345A; NL6606871A

Description

Halbleiteranordnung

Halbleiteranordnungen für große Stromstärken haben gewöhnlich ein halbleitendes System mit einer halbleitenden Scheibe aus Silizium oder Germanium, die auf einer oder auf beiden Seiten von Stützplatten umgeben ist, die aus einem Material mit ungefähr dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das halbleitende Material bestehen und an der halbleitenden Scheibe durch Löten o.dgl. befestigt sind. Gewöhnlich sind die Stützplatten aus Molybdän, Wolfram, Fernico oder einer ähnlichen Eisen-Nickel-Kobalt- oder Eisen-Nickel-Legierung und erheblich dicker als die Halbleiterscheibe.

Bei bekannten Halbleiteranordnungen mit einseitiger Kühlung liegt die eine Stützplatte des Halbleitersystems auf einer Grundplatte auf, die aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer, besteht und in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlkörper steht, die andere Stützplatte liegt an einem Stromabnehmer an, gegen den sie mit Hilfe einer Spannanordnung, also mit Druckkontakt

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gepreßt wird. Halbleitersystem als auch der Stromabnehmer und die Spannanordnung sind dabei in einer hermetisch verschlossenen Hülle angeordnet, die außer der genannten Grundplatte auch eine oberhalb dieser Platte gelegene und mit ihr zusammengefügte Haube hat. Diese Haube besteht aus einem zunächst der Grundplatte liegenden metallischen Teil und einem oberhalb des halbleitenden Systems liegenden zweiten metallischen Teil sowie aus einem zwischen diesen beiden Teilen liegenden Zwischenteil aus isolierendem Material»

Bei Halbleiteranordnungen mit beidseitiger Kühlung und mit Druckkontakt zwischen den Stromzu- und Stromableitungskörpern und den Stützplatten, wobei die beiden genannten Körper als Kühlkörper benutzt oder an Kühlkörpern angeschlossen sind, ist es bekannt, das Halbleitersystem mit seinen Halbleiterscheiben und Stü-^;jzplat^en hermetisch in einer flachen "Dose einzuschließen, um as gegen die schädlioiiiS Wirkung der nage banden Atmosphäre zu scliü/tsen* Boden und Beo'rel der Do 3 ο sind dabei längs der nach außen gewendeten Flächen dea Halbleitsrsystaus und in Kontakt mit diesen angeordnet* Bei diesen bekannten Anordnungen besteht Uli. Dose außer aus Bo'lsn -inc Deckel auoh aus einem zwischen diesen angeordneten 3wi3ofaeiistllcte In dar Form -sines "Ringes aus isolierendem Material,

[Im den Druckkontakt aswi.oo&en den Stromsufuhr- und Stromableitungdkörpsin und dsm Halblei-^rsystsii su.3 tend anbringen, können disae Körpsr gsgen das Mal bleitersyatsai aiit einer äußeren Spann-

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anordnung gedrückt werden, die in den beiden Körpern befestigt ist. Es ist dann notwendig, entweder die Spannanordnung aus einem isolierenden Material herzustellen oder sie von dem einen Körper dadurch zu isolieren, daß man ein Isoliermaterial dort anbringt, wo die Spannanordnung an diesem Körper angebracht ist.

Bei den oben angegebenen bekannten Halbleiteranordnungen, die Druckverbindungen anstelle von Lötstellen benutzen, liegt das Problem vor, eine genügend stabile Gegenhaltekraft des Isoliermaterials zustandezubringen, die die erforderliche Druckkraft aufnehmen kann. Die für diesen Zweck benutzten Isoliermaterialien sollen nämlich gleichzeitig verhältnismäßig große Druck- oder Zugbeanspruchungen und verhältnismäßig hohe Temperaturen aushalten können, ohne zerstört zu werden. In gewissen Fällen, gewöhnlich bei einseitiger Kühlung, sollen sie auch in der Kapsel zusammen mit dem Halbleitersystem eingeschlossen werden können. Keramisches oder damit nahe verwandtes Material erfüllt diese Forderungen, aber es ist oft notwendig, spezielle Maßnahmen zu treffen, um eine gleichmäßige Belastung zu erreichen, außerdem müssen die Dimensionen nur aus diesem Grund vergrößert werden, was ein großer Nachteil ist.

Die bei früheren Halbleiteranordnungen mit Druckkontakt vorkommenden Mangel vermeidet die Erfindung, sie ermöglicht die Ausbildung von Halbleiteranordnungen, in denen das Isoliermaterial keinerlei Druck- oder Zugbeanspruchungen ausgesetzt wird und die außerdem eine sehr kompakte Konstruktion haben.

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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, z.B. einen Transistor, einen Thyristor oder eine Kristalldiode, in der ein halbleitendes System mit einer Halbleiterscheibe auf einer arundplatte und in Druckkontakt mit einem Stromzufuhrkörper angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei einander zugekehrte, je auf einer Grundplatte angeordnete halblei.tende Systeme umfaßt, zwischen denen ein gemeinsamer Stromabnehmer angeordnet ist, daß jedes halbleitende System zwischen seiner Grundplatte und dem Stromabnehmer durch eine Spannanordnung gedrückt gehalten wird, ohne daß der aus elektrisch isolierendem Material bestehende Teil des Gehäuses einem Druck ausgesetzt wird, und daß die Grundplatten direkt elektrisch miteinander verbunden und so die halbleitenden Systeme elektrisch parallelgeschaltet sind.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der Stromabnehmer aus Teilen, die auf beiden Seiten einer zwischen ihnen angeordneten, als Spannanordnung dienenden Feder angeordnet sind, die das eine halbleitende System zwischen seiner Grundplatte und dem einen der Teile und das andere halbleitende System zwischen seiner Grundplatte und einem anderen der Teile gedrückt hält. Dabei können die halbleitenden Systeme ii.a, in einer Ausnehmung eines Bolzenkopfes angeordnet sein, der selbst in einem Kühlkörper angeordnet ist» Die Ausnehmung hat zweckmäßig awei wenigstens in der Hauptsache parallele Seiten, die als Grundplatten für die halbleitenden Systeme dienen.

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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Grundplatten in wärmeleitendem Kontakt mit Kühlkörpern angeordnet oder dienen selbst als Kühlkörper, und die Kühlkörper drücken durch eine Spannanordnung jedes halbleitende System gegen seine Grundplatte und den Stromabnehmer. Die Spannanordnung ist auf den Kühlkörpern angeordnet und preßt diese gegeneinander.

Das Halbleitersystem kann aus einer Halbleiterscheibe z.B. aus Silizium oder Germanium bestehen, die auf der einen oder auf beiden Seiten mit dünnen Metallschichten versehen ist. Diese sind auf der Halbleiterscheibe z.B. durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung oder durch elektrolytisches Belegen aufgebracht. Die Metallschichten können in Zusammenhang mit der Dotierung der Halbleiterscheibe oder bei einem nachfolgenden separaten Prozess ausgebildet werden. Als Beispiel für Metalle in den Schichten können Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Blei oder eines dieser Metalle enthaltende Legierungen genannt werden. Das Halbleitersystem kann u.a. auch aus einer Halbleiterscheibe bestehen, die auf einer oder beiden Seiten mit Stützplatten aus Molybdän, Wolfram, Pernico oder einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe versehen ist. Solche Stützplatten können an der Halbleiterscheibe in üblicher Weise befestigt sein. Es ist auch möglich, 3Bxnf die Metallschichten und Stützplatten an den Seiten der Halbleiterscheibe ganz wegzulassen. Dann besteht das Halbleitersystem nur aus der Halbleiterscheibe. In diesem Fall ist es zweckmäßig, Halbleiterscheiben mit einer hochdotierten AuQenschicht zu verwenden. 909826/0767

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Die Erfindung eignet sich besonders für Halbleiteranordnungen mit großen Stromstärken, wie z.B. von 10 Ampere und darüber.

Die Erfindung ist im folgenden durch Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. In dieser aeigen:

Pig. 1 einen »Schnitt durch eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung, die aus einer Kristalldiode und deren Stromabnehmer aus zwei Teilen besteht j die mit einer Feder gegen die halbleitenden Systeme gedrückt werden und

Fig α 2 und 3 im Schnitt verschiedene Ausführungsformen einer Kristalldiode mit doppelseitiger Kühlung, wobei der Druck mit einer Spanaanordnung erzeugt wird, die auf den Kühlkörpern angeordnet ist und diese gegeneinander preßt, so daß die halbleitenden Systeme sinem Druck zwischen den Kühlkörpern und dem Stromabnehmer ausgesetzt werden*

In dan in Fig. 1 bis 3 gezeigten Halblsitsranordnungen ist eine ruü.i-3 Silisiumselisibe "SO dea p-n-ji '-Typs auf der einen Seite mit ainer nieirc gezeigten Aluminiumsohioht an einer Stützplatte 11 aas Molybdän öder eina:n anderen Material mit ungefähr demselusn Wärmeaus&eimungskoeffisien-beii wie SiXisrum festgelötet und auf der anderen Seite mit einem legierten Gold-Aiitiiaoiikontakt in der Wötm einer Sehiolit 12 versehen* I#is Halbleitersvsteme "bestellen aus dsn Elementen 10, 11 und 12.

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Die Halbleitersysteme sind in einer Ausnehmung 13 im Kopf 14 eines Kupferbolzens 15 angeordnet, der in eine nicht gezeigte Kühlanordnung eingesetzt wird. Die Ausnehmung 15 besteht aus einer parallelepipedischen Nut mit zwei zu der Bolzenachse parallelen Seiten 16 und 17, die als Grundplatte für die Halbleitersysteme dienen. Der Stromabnehmer besteht aus zwei Teilen 18 und 19. Diese Teile werden durch eine Tellerfeder 20 gegen die beiden Halbleitersysteme und diese so gegen die Grundplatten 16 und 17 gedrückt, daß jedes Halbleitersystem in Druckkontakt sowohl mit dem Stromabnehmer als auch mit der Grundplatte angeordnet ist. Die beiden Teile des Stromabnehmers werden an einen gemeinsamen Anschlußleiter 21 angeschlossen. Die Halbleitersysteme sind hermetisch in einem Raum eingeschlossen, der durch die Ausnehmung 13 und eine Haube begrenzt ist, die einen metallischen Unterteil 22 und einen Oberteil 23 aus Isoliermaterial, z.B. Keramik, umfaßt.

In der Anordnung nach Fig. 2 sind die beiden halbleitenden Systeme in einer gemeinsamen Dose eingeschlossen, die aus zwei runden Scheiben 25 und 26, zwei Keramik- oder Porzellanringen 27 und 28 sowie aus zwei runden Flanschen 29 und 30 besteht. Die Teile 25, 26, 29 und 30 keinen z.B. aus Kupfer, Molybdän, Wolfram, einer Eisen-Nickellegierung oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehen und an den Ringen 27 und 28 z.B. durch Hartlöten mit Silberlot befestigt sein. Der Stromabnehmer ;>1 ist zwischen den halbleitenden Systemen angeordnet und mit einem Anschlußleiter $2 versehen, der eine kreisförmige oder quadratische Scheibe aus

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Kupfer sein kann, die z.B. an den Flanschen 29 und 30 festgelötet ist. Außerhalb der ebenen runden Scheiben 25 und 26 sind die beiden Kühlkrper 33 und 34 angeordnet, die auch als Grundplatte für die halbleitenden Systeme dienen. Die Kühlkörper können z.B. aus Kupfer, Aluminium, Silumin oder einem anderen metallischen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen und mit einer schematisch gezeigten Spannanordnung 45 ausgebildet und versehen sein, die z.B. mit Bolzen angezogen werden kann, die außerhalb der Kühlkörper angeordnet sind. Die Kühlkörper werden von der Spannanordnung gegeneinander gepreßt, so daß die halbleitenden Systeme sowohl gegen die Kühlkörper und den Stromabnehmer 31 gepreßt werden. Dadurch ist jedes halbleitende System in Druckkontakt sowohl mit dem Stromabnehmer als auch mit der Grundplatte angeordnet.

In der Anordnung nach Fig. 3 ist jedes halbleitende System in einer eigenen Dose eingeschlossen. Jede Dose umfaßt einen zentralen, runden, mit einer Einbuchtung 35 versehenen Teil 36, einen Keramik- oder Porzellanring 37, einen äußeren runden Flansch 38 sowie eine runde Grundplatte 39· Die Teile 36 und können aus demselben Material sein, wie es zuvor für die Teile 25, 26, 29 und ^O angegeben ist. Das am besten geeignete Material für die Grundplatte 39 ist Kupfer.

Ein Stromabnehmer 40, der zwischen den halbleitenden Systemen in den Einbuchtungen 35 angeordnet ist, trägt einen Anschluß-

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leiter 41. Kühlkörper 42 und 43 können aus demselben Material wie die Kühlkörper 33 und 34 bestehen. Sie können mit derselben Spannanordnung wie in Pig. 2 versehen sein. Die Kühlkörper werden gegeneinander gepreßt, so daß die halbleitenden Systeme gegen die Kühlkörper und den Stromabnehmer 40 gepreßt werden. Dadurch ist jedes halbleitende System in Druckkontakt mit dem Stromabnehmer und auch mit seiner Grundplatte.

Die beiden Halbleiterscheiben und ihre Grundplatten brauchen nicht wie in den Figuren gezeigt parallel zueinander angeordnet zu sein. Die eine Halbleiterscheibe und ihre Grundplatte können auch in einem spitzen Winkel zu der anderen Halbleiterscheibe und ihrer Grundplatte angeordnet sein. In diesem Fall ist es notwendig, eine Druckkraft auf den Stromabnehmer im wesentlichen in Richtung gegen die Spitze des Winkels anzusetzen, den die Halbleiterscheiben miteinander bilden, um zu verhindern, daß der Stromabnehmer längs der Flächen der Halbleitersysteme gleitet, die dem Stromabnehmer zugekehrt sind.

Falls die Halbleiteranordnung aus einem Thyristor oder Transistor besteht, kann ein erforderlicher zusätzlicher Zuleiter zu jedem Halbleitersystem angeordnet werden, indem z.B. diese Zuleiter durch zwei für sie vorgesehene Löcher im Isolator 23 nach Fig. 1, durch Löcher in den Isolierringen 27 und 28 nach Fig. 2 und . durch Löcher in jedem der beiden Isolierringe 27 nach Fig. 3 geführt werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, z.B. ein Transistor, ein Thyristor oder eine Kristalldiode, bei der ein halbleitendes System mit einer Halbleiterscheibe aus Silizium oder Germanium in Druckkontakt zwischen einer Grundplatte und einem Stromanschlußkörper angeordnet und in einem Gehäuse eingeschlossen ist, das einen Teil aus elektrisch isolierendem Material hat, und bei der die Grundplatte in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlkörper angeordnet ist oder selbst als Kühlkörper dient, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei einander zugekehrte, je auf einer Grundplatte (16, 17) angeordnete halbleitende Systeme (10, 11, 12) umfaßt, zwischen denen ein gemeinsamer Stromabnehmer (18, 19) angeordnet ist, daß jedes halbleitende System zwischen seiner Grundplatte und dem Stromabnehmer durch eine Spannanordnung (22) gedrückt gehalten wird, ohne daß der aus elektrisch isolierendem Material bestehende Teil (23) des Gehäuses (22, 23) einem Druck ausgesetzt wird, und daß die Grundplatten (16, 17) direkt elektrisch miteinander verbunden und so die halbleitenden Systeme elektrisch parallelgeschaltet sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer aus Teilen (18, 19) besteht, die zu beiden Seiten einer zwischen ihnen angeordneten, als Spannanordnung dienenden Feder (22) angeordnet sind, die das eine halbleitende System (10, 11, 12) zwischen seiner Grundplatte (16) und dem einen der beiden Teile des Stromabnehmers und das andere halb-

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Untertanen (Art. 7 § l Abs. 2 Nr. I Su'j 3 dos Änderunoeaaß. _v. 4. O. 19β?Ν

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leitende System zwischen seiner Grundplatte und dem anderen Teil des Stromabnehmers in Druckkontakt hält.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Systeme (10, 11, 12) in einer Ausnehmung (13) eines Bolzenkopfes (14) angeordnet sind und die Ausnehmung zwei wenigstens im wesentlichen parallele Seiten (16, 17) hat, die als Grundplatten für die halbleitenden Systeme dienen.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatten (25, 26) in wärmeleitendem Kontakt mit Kühlkörpern (33, 34) angeordnet sind oder selbst als Kühlkörper dienen und die Kühlkörper durch eine an ihnen angebrachte Spannanordnung (45) jedes halbleitende System (10, 11, 12) zwischen seiner Grundplatte und dem Stromabnehmer (3I) in Druckkontakt halten.

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