DE1564665C3 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement
mit einem in einem gasdichten Gehäuse eingeschlossenen, Druckkörper aufweisenden
Halbleiterelement, das unter Druck zwischen äußere elektrische Anschlußflächen bildenden metallischen,
verschiedene Potentiale aufweisenden Gehäuseteilen liegt, wobei diese Gehäuseteile unter Einhaltung eines
erforderlichen Isolationsabstandes und eines äußeren elektrischen Kricchweges mit einem isolierenden Ringkörper
verbunden sind.
Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise in der österreichischen Patentschrift 2 43 927 beschrieben
worden. Das Gehäuse dieses Halbleiterbauelements weist als wesentliche Bestandteile zwei Keramikringe
auf, von denen jeweils einer an einer seiner Stirnseiten mit einer Metallplatte verlötet ist. Nach
dem Einlegen des Halbleiterelements werden die beiden Keramikringe an ihren den Metallplatten gegenüberliegenden
Stirnseiten miteinander verbunden. Dadurch werden schädliche Einflüsse vom Halbleiterelement
ferngehalten, die durch beim Löten entstehende Gase auftreten können. Bei einem anderen bekannten
ίο Halbleiterbauelement, das beispielsweise in der deutschen
Auslegeschrift 11 94 503 beschrieben ist, wird das im wesentlichen aus einem Keramikring und zwei Metallplatten
bestehende Gehäuse durch einen polymerisierbaren Kunststoff verschlossen.
Beide bekannte Halbleiterbauelemente weisen relativ teure Keramikringe auf, die zudem relativ umstündlich
mit den Metallplatten zu verbinden sind.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement gemaß
der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß die Abdichtung des Gehäuses auf wesentlich
einfachere Weise möglich ist.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Ringkörper aus einem im geschmolzenen Zustand thixotropen aushärtbaren
Kunststoff besteht.
Der Vorteil des Anmeldungsgegenstandes besteht darin, daß ein solcher Kunststoff relativ billig ist und
daß eine Abdichtung durch eine einfache Erwärmung ohne Benutzung von Gieß- oder Preßformen möglich
ist.
Der Ringkörper kann zweckmäßigerweise mit einem radial ausladenden Flansch eines pfannenförmigen Gehäuseteils
verbunden sein und ein becherförmiges Gehäuseteil von außen umschließen. Der Ringkörper kann
jedoch auch ein becherförmiges Gehäuseteil von außen umschließen und mit dem Boden eines anderen becherförmigen
Gehäuseteils verbunden sein, von dessen Randteil er seinerseits umschlossen ist. Der Ringkörper
kann aber auch beidseitig mit radial ausladenden Flansehen von pfannenförmigen Gehäuseteilen verbunden
sein oder lediglich zwischen planen Gehäuseteilen liegen und mit diesen verbunden sein. Zur Verbesserung
des Zusammenhaltes der einzelnen Teile in axialer Richtung kann der Ringkörper zwischen im wesentlichen
planen Gehäuseteilen liegen und mit diesen verbunden sein, wobei die Gehäuseteile Randteile aufweisen,
die als zum Ringkörper hin konkave Ringwulste ausgebildet sind. Zur Vermeidung von Gasblasen beim
Aushärten des Ringkörpers wird zweckmäßigerweise ein Verfahren angewandt, bei dem die Teile des Halbleiterbauelements
in einem gasdicht geschlossenen, ebenfalls erwärmten Raum angeordnet sind.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den F i g. I bis 7 näher erläutert.
In F i g. 1 besteht das Halbleiterelement, z.B. für einen Diodenaufbau, aus einem Siliziumhalbleiterkörper
1 mit entsprechenden eindotierten Bereichen und Anschlußelektroden an den Oberflächen, wobei diese
Anschlußelektroden durch einlegiertcs Elektrodenmaterial
oder durch auf.eindiffundierte Bereiche am Halbleiterkörper aufgebrachte metallische Beläge gebildet
sein können, und wobei mit jeder dieser Oberflächen je ein Druckkörper 2 und 3 zusammenwirkt. Diese können
z. B. aus einem porösen gesinterten metallischen Werkstoff, wie poröses Kupfer, mit einer Dichte von
etwa 90% der Dichte von massivem Kupfer oder aus einer geeigneten Legierung bestehen. Die genannten
Teile werden durch einen auf die Mantelflächen der Druckkörper 2 und 3 aufgebrachten Mantelkörper bzw.
Schrumpfschlauch 4 aus einem geeigneten Kunststoff, wie z. B. aus einem Silikon zusammengehalten. Dieses
Halbleiterelement (1 bis 4) sitzt mit der unteren Fläche des Druckstückes 3 auf der inneren Bodenfläche eines ·
pfannenförmigen metallischen Gehäuseteils 5, von dessen Rand ein Flanschteil radial nach außen vorspringt.
Über die äußere Mantelfläche des Halbleiterelements bzw. des· Schrumpfschlauches 4 ist mit seiner Öffnung
nach unten ein becherförmiges metallisches Gehäuseteil 6 aufgeschoben bzw. gestülpt, das sich mit seiner
inneren Bodenfläche gegen die obere Fläche des Halbleiterelements legt. Auf die obere Fläche des Flanschteils
des metallischen Gehäuseteils 5 ist ein Ringkörper 7 aus einem schmelzbaren, im geschmolzenen Zustand
thixotropen Kunststoff aufgelegt, das gleichzeitig das metallische Gehäuseteil 6 außen umschließt. Ein solcher
Kunststoff ist z. B. unter dem Handelsnamen Araldit-E-Form Serie 1700 der Firma CIBA erhältlich. Die
Gehäuseteile können dabei z. B. aus verzinnten Kupferfolien bestehen.
F i g. 1 zeigt die Teile mit für die Veranschaulichung gewählten Abmessungen zunächst nach dem Zusammenbau.
Die zusammengestellten Teile weiden nunmehr z. B. auf etwa 12O0C erwärmt, so daß der Kunststoff
schmilzt und thixotrop wird. Daher wird der Kunststoff, wie in F i g. 2 veranschaulicht, zwar in einen
flüssigen Zustand übergehen, jedoch bei guter Benetzung der beiden Gehäuseteile unter dem Einfluß der
auf ihn wirkenden Schwerkraft nicht wegfließen, sondern nur eine entsprechend der F i g. 2 mit 7' bezeichnete
Form annehmen, in der er dann ausgehärtet wird. Die freie Oberfläche von 7' bestimmt dann den Kriechweg
zwischen den metallischen Gehäuseteilen.
Die äußeren Bodenflächen der metallischen, nachgiebig ausgebildeten Gehäuseteile bilden die elektrischen
Anschlußkontaktflächen für das Halbleiterbauelement, das so in eine Einspannvorrichtung eingesetzt wird, daß
sich dadurch ein einwandfreies gegenseitiges Anpressen der Flächen der Druckkörper an die entsprechenden
inneren Gegenflächen der metallischen Gehäuseteile und des Halbleiterelements ergibt und zufolge des
nachgiebigen Charakters der Endanschlußkörper eine gute Anpassung zwischen den genannten Flächen entsteht.
Bei der Ausführung nach den F i g. I und 2 werden zwei metallische Gehäuseteile von konkaver Form benutzt,
die mit ihren konkaven Flächen einander zugewandt sind.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, in der für die bereits in der Ausführung nach
den F i g. 1 und 2 vorhandenen Teile die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden sind, ist in Abweichung
von dieser Ausführung statt des einen konkaven Gehäuseteils ein Gehäuseteil 8 von im wesentlichen
planer Form benutzt. Dieses Gehäuseteil weist lediglich noch einen äußeren in der Achsrichtung abgebogenen
bzw. angesetzten Randteil 9 auf, um einen Sitz für ein zentrisches Einsetzen des Ringkörpers 10, des von diesem
umschlossenen Gehäuseteils 6 und des in diesem angeordneten Halbleiterelements (1 bis 4) zu gewinnen,
und um gleichzeitig eine größere Haftfläche zwischen dem Kunststoff und dem Gehäuseteil 8 und eine Haftfläche
auch in der axialen Richtung der Halbleiteran-Ordnung zu schaffen.
Diese Anordnung wird erwärmt, damit der Kunststoff eine Benetzung mit den metallischen Gehäuseteilen
eingeht und den gasdichten Abschluß am Gehäuse der Halbleiteranordnung zwischen diesen Gehäuseteilen
schafft.
Bei der weiteren bejspielsweisen Ausführung nach F i g. 4 der Zeichnung sind als metallische Gehäuseteile
zwei mit ihren offenen'Seiten einander zugewandte pfannenförmige Gehäuseteile 11 und 12 benutzt, zwischen
deren radial ausladenden Flanschteilen ein Ringkörper 13 eingesetzt ist. Bei dieser Ausführung ist
gleichzeitig der das Halbleiterelement und dessen Druckkörper umschließende Mantelkörper oder
Schrumpfschlauch 14 mit einer etwas größeren Länge bemessen als bei der Ausführung nach den F i g. 1 und 2
und als die reine Schichtungshöhe der umschlossenen Einzelteile des Halbleiterelements beträgt, so daß die
Stirnflächen des Schlauches 14 sich gegen die inneren Flächen der Gehäuseteile 11 und 12 abdichtend andrükken.
Damit bildet dieser Mantelkörper bzw. dieser Schlauch 14 zusammen mit den entsprechenden inneren
Flächen der Gehäuseteile 11 und 12 bereits eine dichte Kapselung für das Halbleiterelement.
Nach F i g. 5 sind als metallische Gehäuseteile lediglich plane Körper 15 und 16 benutzt. Um dabei eine
Lageorientierung zwischen dem Halbleiterelement und diesen Gehäuseteilen sowie dem Ringkörper 17 zu
schaffen, sind in die Gehäuseteile auf einem dem Mantelkörper bzw. Schlauch 14 umschließenden Kreis liegende
Kerben bzw. Erhebungen 18 bzw. 19 an den Gehäuseteilen vorgesehen, so daß· diese Kerben außen
über das Ende des Mantelkörpers 14 des Halbleiterelements aufgeschoben werden können und der Ringkörper
17 außen auf diese Kerben aufgeschoben werden kann.
Bei der weiteren Lösung nach Fig.6 sind zwei im
wesentlichen plane metallische Gehäuseteile 20 und 21, jedoch mit aixal abgebogenen Rändern 22 bzw. 23 benutzt.
Wird diese Anordnung aus ihren Einzelteilen zusammengestellt, so ergibt sich eine gegenseitige Zentrierung
der Einzelteile.
In den F i g. 2 bis 6 besteht zunächst zwischen den Enflächen der Druckkörper 2 und 3 und den inneren
Flächen der metallischen Gehäuseteile noch ein gewisser Zwischenraum, der jedoch dann wegfällt, wenn auf
die Außenflächen des Halbleiterbauelements in axialer Richtung ein derartiger Druck ausgeübt wird, daß sich
die inneren Flächen der Gehäuseteile und die Druckkörper 2 und 3 berühren. Dies wird mit einem für den
betriebsmäßigen Einsatz erwünschten Kontaktdruck im allgemeinen erst dann geschehen, wenn das Halbleiterbauelement
in eine entsprechende Einspannvorrichtung in einem elektrischen Stromkreis eingesetzt
wird.
Die Anordnungen nach den F i g. 3 bis 6 müssen wie die nach den F i g. I und 2 erwärmt werden, damit über
den jeweiligen Ringkörper ein gasdichter Abschluß zwischen den Gehäuseteilen erzielt wird.
In F i g. 7 ist noch ein Teil eines Aufbaus des Gehäuses
eines Halbleiterbauelements wiedergegeben als Abwandlung der Lösung nach F i g. 6 mit dem Ziel, durch
den die Gehäuseteile mechanisch und gasicht miteinander verbindenden Ringkörper zugleich auch ein stabileres
Zusammenhalten der Gehäuseteile in axialer Richtung des Halbleiterbauelements zu erreichen. Die
Randteile, die in F i g. 6 mit der Bezeichnung 22 bzw. 23 lediglich eine zylindrische Form besitzen, sind hier als
hohle Ringwulste 24 bzw. 25 gestaltet, so daß sich die Masse des Ringkörpers 17 bei Erwärmung in die konkave
Form der Ringwulste hineinlagert und nach dem
Erstarren bzw. dem Aushärten der Kunststoffmasse eine zugefeste Verbindung mit relativ großem Scherquerschnitt
in der Achsrichtung des Halbleiterbauelements vorhanden ist.
Bei der Erwärmung des Halbleiterbauelements zum Schmelzen des Ringkörpers und während des Aushärtungsvorgangs
empfiehlt sich ein besonderes Verfahren erfindungsgemäß anzuwenden, um die Einlagerung von
Gasblasen in die Masse des Ringkörpers zu verhindern.
Dieses Verfahren besteht darin, daß die Erwärmung des Halbleiterbauelements in einem gasdichten Raum
bis zum Aushärten des Ringkörpers durchgeführt wird, damit in allen in dem gasdichten Behandlungsraum vorhandenen
Einzelräumen, also im Halbleiterbauelement und in dem dieses umgebenden Raum praktisch der
gleiche Gasdruck herrscht, d. h. eine Kompensation der Gasdrucke innerhalb und außerhalb des Halbleiterbauelements
erreicht wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Halbleiterbauelement mit einem in einem gasdichten Gehäuse eingeschlossenen, Druckkörper
aufweisenden Halbleiterelement, das unter Druck zwischen äußere elektrische Anschlußflächen bildenden
metallischen, verschiedene Potentiale aufweisenden Gehäuseteilen liegt, wobei diese Gehäuseteile
unter Einhaltung eines erforderlichen Isolationsabstandes
und eines äußeren elektrischen Kriechweges mit einem isolierenden Ringkörper verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringkörper (7, 10, 13, 17) aus einem im geschmolzenen Zustand thixotropcn, aushärtbaren
Kunststoff besteht.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (7;
Fig. 1) mit einem radial ausladenden Flansch eines pfannenförmigen Gehäuseteils (5) verbunden ist
und daß er ein becherförmiges Gehäuseteil (6) von außen umschließt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (10:
F i g. 3) ein becherförmiges Gehäuseteil (6) von außen umschließt, daß er mit dem Boden eines anderen
becherförmigen Gehäuseteiis (8) verbunden ist und von dessen Randteil (9) umschlossen ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (13:
F i g. 4) beidseitig mit radial ausladenden Flanschen von pfannenförmigen Gehäuseteilen (11, 12) verbunden
ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17;
F i g. 5) zwischen planen Gehäuseteilen (15, 16) liegt und mit diesen verbunden ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17;
F i g. 7) zwischen im wesentlichen planen Gehäuseteilen (20, 21) liegt und mit diesen verbunden ist und
daß die Gehäuseteile (20, 21) Randteile aufweisen, die als zum Ringkörper hin konkave Ringwulste (24,
25) ausgebildet sind. '
7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Verschließen des Gehäuses durch eine Wärmebehandlung die Teile
des Halbleiterbauelements in einem gasdicht geschlossenen, ebenfalls erwärmten Raum angeordnet
werden.
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