DE1807631A1

DE1807631A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1807631A1
Application number: DE19681807631
Authority: DE
Inventors: Vlastimil Bezouska; Dipl-Ing Jiri Hrdlicka; Evzen Krasa; Dr Jan Pivrnec; Zdenek Smekal
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1967-11-09
Filing date: 1968-11-07
Publication date: 1969-09-18
Also published as: CH494471A; DE6805874U; FR1591379A; GB1217963A; NL6815953A; US3553538A

Description

Patentanwalt· DIpI.-!ng. Π. Qootz u. Dipl.-Ing. Umpredit

München 22, Steinsdorhtr. 10

OKD PRAHA, oborovy poanik, Prag (Tschechoslowakei)

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem in einem Gehäuse eingeschlossenen und mit Elektroden in gleitfähiger Druokkontaktverbindung stehenden, flächenhaften Halbleiterelement«

Zur Verbindung des flächenhaften Halbleiterelementes mit den Elektroden verwendete man bisher zweierlei Anordnungen. Die eine Anordnung besteht darin, daß das flächenhafte Halbleiterelement mit den Elektroden in einer festen metallischen Verbindung, vorwiegend Lötverbindung, steht. Ein Nachteil dieser Verbindungsart ist insbesondere darin zu sehen, daß das flächenhafte Halbleiterelement und die Elektroden aus Werkstoffen bestehen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten voneinander abweichen. Bei thermischen Dehnungen kommt es zu

(S 5899-V 1080)-IpGr(7)

909838/0803

Störungen der metallischen Verbindungen, die auch zu einer Zerstörung des Halbleiterelements führen können·

Vom betriebs- und fertigungstechnischen Standpunkt aus erscheint die zweite Anordnungsart, bei der eine Druckkontaktverbindung Verwendung findet, viel vorteilhafter. Diese Art erlaubt eine gleitfähige Verbindung, deren Vorteil darin besteht, daß es bei den thermischen Dehnungen zu keinen Störungen der Verbindungen kommt, und demzufolge das Halbleiterelement keinen schädlichen Wirkungen ausgesetzt ist· Pur diese Verbindungsart werden nach dem Stand der Technik verschiedene technische Mittel verwendet»

Dafür verwendet man nach dem Stand der Technik im wesentlichen zwei Gehäusebauarten. Eine davon ist die klassische Ausführung, bei der an einer Grundplatte, die zugleich eine der Hauptelektroden bildet, ein Halter der Druckfeder befestigt ist, der das flächenhafte Halbleiterelement über die andere Hauptelektrode an die Grundplatte drückt. Diese Anordnung wird durch einen Gehäuseteil überdeckt, der zugleich die Ausführung der zweiten Elektrode trägt und an der.Grundplatte befestigt ist·

Ein lachteil dieser Ausführungen besteht in hohen iertigungsaufwendungen und einem erheblichen Raumbedarf. Der größte Nachteil besteht jedoch darin, daß bei einer derartigen Bauart bloß eine, einseitige Kühlung des Halbleiterelementes möglich ist. .

In letzter Zeit verwendet man überwiegend die zweite Gehäusebauart, die derart ausgeführt ist, daß die flächenhaften Hauptelektroden

9 0 9 8 3 8/0803

miteinander durch einen Verbindungsteil verbunden sind, mit welchem zusammen sie ein fertigungstechnisch einfaches Gehäuse bilden. Das aus einem Siliziumeinkristallplättchen bestehende und mindestens einen pn-übergang enthaltende Halbleiterelement, das mit entweder durch einen direkten Metallüberzug oder durch Befestigung von Trägerplatten, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Halbleiterplättchens benachbart liegt, gebildeten Anschlußelektroden versehen ist, ist in diesem Gehäuse derart angeordnet, daß es mit den Anlageflächen der beiden Anschlußelektroden in Berührung steht. Der zur Herstellung des Kontaktes zwischen den Elektroden und dem Halbleiterelement erforderliche Druck wird außerhalb des Halbleiterbauelementes liegenden Druckkörpern, in der Regel zwei Kühlkörpern, entnommen.

Bei einigen dieser Gehäuse ist der Verbindungsteil aus zwei kreisringförmigen Rahmen gebildet, deren jeder mit seinem Innenrand jeweils an der einen Hauptelektrode befestigt ist und die an ihren Außenrändern mit metallischen Ansätzen versehen sind, die Üblicherweise miteinander verschweißt sind. Die Metallansätze sind als flache Ringe ausgestaltet, die in einer zur Achse des Halbleiterbauelementes senkrecht liegenden Ebene angeordnet sind. Sie erlauben eine axiale Bewegung der Hauptelektroden, um durch den ausgeübten Druck die notwendige Berührung mit dem Halbleiterelement zu erreichen.

Ein Nachteil dieser bekannten Gehäuseausführungen besteht darin, daß sie die Parallelität der Flächen der Hauptelektroden und des Halbleiterelementes nicht gewährleisten und nur schwierig die durch Fertigungstoleranzen entstehenden Abweichungen ausgleichen.

909838/0803

Dieser Mangel macht sich insbesondere "bei denjenigen Gehäusen bemerkbar, in welchen die Hauptelektroden aus steifen, unverformbaren Platten bestehen. Ein Vorteil dieser Elektroden ist insbesondere darin zu sehen, daß hierbei die Möglichkeit einer einwandfreien Bearbeitung der Oberfläche vom Standpunkt der Planparallelität und der Rauhigkeit aus besteht·

Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Mängel zu vermeiden und bei einem Gehäuse, bei dem der Verbindungsteil der aus unverformbaren Platten ausgebildeten Hauptelektroden aus zwei Eahmen besteht, die im wesentlichen kreisförmig sind und deren Außenränder mit Ansätzen versehen sind, eine derartige Verbindung der beiden Rahmen zu schaffen, welche bei der Fertigung eine höchsterreichbare Planparallelität des aus einem Siliziumeinkristallplättchen bestehenden und mindestens einen pn-übergang enthaltenden Halbleiterelementes mit den entweder durch einen direkten Metallüberzug oder durch Befestigung von Trägerplatten, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Halbleiterplättchens benachbart liegt, gebildeten Anschlußelektroden und den Hauptelektroden derart gewährleistet, daß die zur Erreichung einer vollen gleitfähigen Berührung erforderliche Druckkraft minimal ist.

Gegenstand der Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Halbleiterbauelement, bei dem ein flächenhaftes, mindestens einen pn-übergang enthaltendes Halbleiterelement in einem aus zwei durch unverformbare Platten gebildeten Elektroden und einem isolierenden Verbindungsteil bestehenden Gehäuse untergebracht ist, wobei der isolierende Verbindungsteil aus zwei ringförmigen Rahmen besteht, deren jeder . mit seinem Innenrand jeweils an der einen Elektrode befestigt ist und

909838/0803

1807*53 Ί

_ 5 —

die mit ihrem Außenrand unter Anwendung von an den Außenrändern eines jeden Rahmens befestigten Ansätzen miteinander verbunden sind, wobei mindestens einer der Rahmen aus isolierendem Material hergestellt ist, mit dem Kennzeichen, daß die Ansätze als zwei Rohre unterschiedlichen Durchmessers ausgestaltet sind, deren jedes mit seiner Innenseite jeweils an der Außenseite eines der Eahmen befestigt ist, so daß sie koaxial mit der Achse des Halbleiterbauelementes liegen und ineinander eingeschoben sind, wobei ihre länge derart bemessen ist, daß sie über die Außenränder des Rahmens hinausragen, an dem das Rohr kleineren Durchmessers befestigt ist, und diese hinausragenden Enden miteinander verbunden sind·

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführung bestehen darin, daß vor der letzten Operation, bei der die Ansätze der beiden Rahmen zur Verbindung gelangen, die hochsterreichbare Planparallelität der Anlageflächen gewährleistet ist und nach der Durchführung der Verbindung der beiden Rahmen und des Abschließens des Gehäuses am Umfang dieses Gehäuses ein steifer Ring ausgebildet wird, der die Zerstörung der festgelegten Planparallelität verhindert. Eine wichtige Auswirkung der erfindungsgemäßen lösung besteht darin, daß ohne jedwede Fertigungsschwierigkeiten und Sonderoperationen der ungünstige Einfluß aller Pertigungstoleranzen auf die Planparallelität und somit auf den Wert der Druckkraft vermieden wird·

Der Erfindungsgegenstand kann vorzugsweise so ausgeführt werden, daß die Rahmenansätze als metallische Rohre ausgebildet und ihre hinausragenden Enden zusammengeschweißt sind.

909838/0803

Die Erfindung ermöglicht eine weitere vorteilhafte Ausführung des Gehäuses, die darin besteht, daß die die Ansätze bildenden Rohre als eine untrennbare Einheit mit den Rahmen hergestellt und ihre freien. Enden durch einen Verbindungsring verbunden .sind. Um die Verbindung zu erleichtern, können die" Enden mit geeigneten Vorsprängen versehen werden. In diesem lalle ist der Verbindungsring in Kunststoff-Spritzguß ausgeführt·

In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die freien Rohrenden metallüberzogen, und der Verbindungsring ist als ein U-Ring ausgestaltet, der angelötet ist. In diesem Falle kann der Verbindungsring auch aus einer lötschicht hergestellt werden.

In der Ausführung mit metallischen Rohren kann das erfindungsgemäße Gehäuse derart vereinfacht werden, daß einer der Rahmen aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellt ist, während der andere aus Metall besteht und mit dem zugehörigen Rohransatz aus Metall eine untrennbare Einheit bildet« Vorteilhaft ist sodann die Ausführung, bei der cer metallische Rahmen die Gestalt eines Kegelstumpfes hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen«

Pig. 1 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement, bei dem die Ansätze als metallische Rohre ausgebildet sind;

Pig. 2 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement, bei dem die Ansätze mit dem Rahmen eine untrennbare Einheit bilden j

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit vereinfachtem Gehäuse.

909838/0 8 03

Das flächenhafte Halbleiterelement 1, bestehend aus einem SiIiziumeinkristallplättchen mit einem pn-übergang und Kontakten, ist zwischen zwei Elektroden, der Anode 2 und der Kathode 3, gleitfähig angeordnet, die durch zwei steife, unverformbare Kupferplatten gebildet sind» An der Anode 2 ist vermittels eines aus einer Fe-Ni-Legierung hergestellten Verbindungsringes 4 ein Rahmen. 5 aus keramischem Material befestigt, an dessen Außenrand ein Rohr 6 angeschlossen ist, das nach den in fig· 1 und 3 gezeigten Ausführungen aus der Fe-Ni-Legierung besteht. Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführung ist das Rohr 6 aus keramischem Material und bildet eine untrennbare Einheit mit dem Rahmen 5.

Ähnlich ist auch die Kathode 3 angeordnet. Bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungen ist an der Kathode 3 vermittels des Verbindungsringes 4 ein keramischer Rahmen 7 befestigt, an dessen Außenrand ein Rohr 8 angeschlossen ist. Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 ist das Rohr aus der Fe-Ni-Legierung hergestellt. Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 besteht das Rohr 8 aus keramischem Material und bildet eine untrennbare Einheit mit dem Rahmen 7·

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist der Rahmen 7 aus der Fe-Ni-Legierung als eine untrennbare Einheit mit dem Rohr 8 ausgebildet und unmittelbar an der Kathode 3 befestigt.

Die Rohre 6 und 8 sind ineinandergeschoben und an ihren Enden verbunden. Bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 3 ist die Verbindung durch eine Schweißnaht gebildet. Bei der in Pig. 2 gezeigten Ausführung ist die Verbindung durch einen Spritzgußring 9 aus Kunststoff,

909838/0803

der eine U-Form aufweist, gebildet. Um eine zuverlässige Verbindung zu erreichen, sind die Enden der Bohre 6 und 8 hier mit einem Umfangsvorsprung versehen.

Das Herstellungsverfahren der in Fig.. 1 veranschaulichten Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist, wie folgt»

Es werden zwei Untergruppen hergestellt, die eine bestehend aus der Anode 2, dein Ring 4, dem Rahmen 5 und dem Rohr 6 und die andere aus der Kathode 3> dem Ring 4, dem Rahmen 7 und dem Rohr 8₀

Auf die Kathode 3 wird das flächenhafte Halbleiterelement 1 gelegt, worauf die die Anode 2 tragende Untergruppe mit ihrem Rohr 6 in das Rohr 8 eingeschoben wird und mit einem Werkzeug unter Anwendung der Druckkraft von einem im voraus festgelegten Wert beide Untergruppen über die Kathode 3 und die Anode 2 derart aneinander gedrückt _rwerden, daß die Anlageflächen der Kathode 3 und der Anöde 2 und des flächenhaften Halbleiterelementes 1 aufeinander aufsitzen. Dadurch werden alle Fertigungstoleranzen behoben, die auch bei einer präzisen Fertigung entstehen und die sonst den erforderlichen einwandfreien Kontakt der Anlageflächen beeinträchtigen würden. In diesem Falle werden die Ränder der Rohre 6 und 8 zusammengeschweißt.

Im wesentlichen derselbe Vorgang wird auch bei der Fertigung des in Fig. 2 und 3 gezeigten Halbleiterbauelementes angewandt« Der Unterschied der Endoperation bei der Ausführung nach Fig. 2 besteht darin, daß die Verbindung der beiden Rohre 6 und 8 in Spritzguß ausgeführt ist bzw., falls die Berührungsflächen der Rohre 6 und 8 metallüberzogen sind, daß die Verbindung durch Verlötung gebildet ist.

909838/0803

Claims

Patentansprüche

1· Halbleiterbauelement, bei dem ein flächenhaftes, mindestens einen pn-übergang enthaltendes Halbleiterelement in einem aus zwei durch unverformbare Platten gebildeten Elektroden und einem isolierenden Yerbindungsteil bestehenden Gehäuse untergebracht ist, wobei der isolierende "Verbindungsteil aus zwei ringförmigen Rahmen besteht, deren jeder mit seinem Innenrand jeweils an der einen Elektrode befestigt ist und die mit ihrem Außenrand unter Anwendung von an den Außenrändern eines jeden Rahmens befestigten Ansätzen miteinander verbunden sind, wobei mindestens einer der Rahmen aus isolierendem Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze als zwei Rohre (6, 8) unterschiedlichen Durchmessers ausgestaltet sind, deren jedes mit seiner Innenseite jeweils an der Außenseite eines der Rahmen (5) befestigt ist, so daß sie koaxial mit der Achse des Halbleiterbauelementes (1) liegen und ineinander eingeschoben sind, wobei ihre Länge derart bemessen ist, daß sie'über die Außenränder des Rahmens (5) hinausragen, an dem das Rohr (6) kleineren Durchmessers befestigt ist, und diese hinausragenden Enden miteinander verbunden sind.

2c Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei welchem die beiden Rahmen aus elektrisch isolierendem Material hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze als metallische Rohre (6, 8) ausgebildet und ihre hinausragenden Enden zusammengeschweißt sind·

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei welchem die beiden Rahmen aus elektrisch isolierendem Material hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (6, 8) mit den Rahmen (5, 7) eine untrennbare

90983 8/0803

- ίο -

Einheit bilden und ihre hinausragenden Enden durch einen Verbindungsring (9) verbunden sind.

4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß die hinausragenden Enden der Rohre (6, 8) mit Vorsprängen versehen sind und der Verbindungsring (9) aus Kunststoff-SpritE-guß besteht,

5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 3_} dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen der hinausragenden Enden der Bohre (6, 8) metallüberzogen sind und der Verbindungsring (9) als ein metallischer U-Ring ausgebildet und angelötet ist»

6. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 3_t dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (9) aus einer Lötschicht besteht.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Rahmen (5) aus elektrisch isolierendem Material und der andere (7¹) aus Metall hergestellt sind und das eine Rohr (8) mit dem Rahmen (7¹) eine untrennbare Einheit bildet.

3. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 7_S dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Rahmen (7^f) die G-estalt eines Kegelstumpfes hat»

909838/0803 ORIGINAL INSPECTED