DE2004776C2

DE2004776C2 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2004776C2
Application number: DE2004776A
Authority: DE
Inventors: Donald Everett Lord; William Frederick Skaneateles N.Y. Lootens
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-02-03
Publication date: 1986-05-28
Also published as: FR2091947B1; FR2091947A1; DE2004776A1; FR2030266A1; JPS5023593B1; GB1299514A; IE33959B1; IE33959L; BE745393A; SE366427B; FR2030266B1; US3599057A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs I definierten Gattung.

Bei der Herstellung derartiger Halbleiterbauelemente (US-PS 34 57 472) wurden bisher zunächst die Elektroden direkt mit dem Halbleiterkörper verbunden. Da diese Elektroden aus Kupfer oder Materialien bestehen, die einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, während das verwendete Halbleitermaterial einen kleiner Ausdehnungskoeffizienten besitzt, ergab sich insbesondere hei großflächigen, mit hohen Strömen betriebenen Halbleiterbauelementen das Problem nicht aufeinander abgestimmter thermischer Ausdehnungskoeffizienten, was zu einer erheblichen Belastung des Halbleiterkörpers und häufig auch zum Versagen des gesamten Halbleiterbauelementes führte.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, zwischen den Metallelektroden und den Halbleiterkörpern sogenannte Auflageplatten anzuorcl-

nen, die aus einem Material mit einem geringen, im allgemeinen an das Material des Halbleiterkörpers angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dabei wurden allerdings die Auflageplatten mittels eines Hartlots am Halbleiterkörper befestigt. Hierdurch ergab sich erneut eine, diesmal auf das Hartlof zurückzuführende thermische Fehlanpassung, ganz abgesehen davon, daß zusätzliche Arbeitsschritte bei der Produktion erforderlich wurden.

Es wurde daher auch bereits vorgeschlagen, die genannten Teile lediglich durch einen auf die Elektroden ausgeübten Druck zu verbinden. Bei dieser Methode ergab sich, daß derartige Druckverbindungen zwar im Zusammenhang mit Halbleiterkörpern, deren PN-Übergänge durch Legierung he/gestellt sind, keine Probleme mit sich brachten und insbesondere zu Kontakten mit kleiner Impedanz führten, wohingegen Druckverbindungen der genannten Art bei Halbleiterkörpern mit durch Diffusion hergestellten PN-Obergängen erstaunlicherweise zu Kontakten mit sehr hoher Impedanz führten. Aus diesem Grund haben reine Druckverbindungen bei Halbleiterbauelementen mit durch Diffusion erzeugten PN-Übergängen keinen Eingang in die Technik gefunden. Mit anderen Worten sind insbesondere keine Halbleiterbauelemente in Form von Siliciumthyristoren bekannt, bei denen die Auflageplatten nur durch Druck mit dem Halbleiterkörper verbunden sind, weil Siliciumthyristoren in der Regel wenigstens einen durch Diffusion hergestellten PN-Übergang, meistens jedoch mehrere durch Diffusion hergestellte Übergänge aufweisen, was zu den genannten Nachteilen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch bei Halbleiterbauelementen der eingangs bezeichneten Gattung die Möglichkeit zu schaffen, allein durch Druck gehaltene Auflageplatten vorzusehen, ohne daß hierdurch die Kontakt-Impedanzen unerwünscht groß werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfind'.ng bringt den Vorteil mit sich, daß sich Kontakte mit vergleichsweise kleiner Impedanz ergeben, obwohl die Auflageplatten allein durch Druck am Halbleiterkörper gehalten sind. Außerdem werden die sonst bei gattungsgemäßen Halbleiterbauelementen erforderlichen Arbeitsschritte zur Befestigung der Auflageplatten am Halbleiterkörper eingespart und Beschädigungen des Halbleiterkörpers durch zu starke Beanspruchung beim Befestigen der Auflageplatten vermieden.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführihigsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch den Halbleiterkörper der Ausführungsform nach Fig. 1,

F i g. 3 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 1,

Fig. 4 die Draufsicht auf eine Einzelheit der Ausführungsform nach Fi g. !,und

Fig. 5 einen teilweise weggebrochenen Vertikalschnitt einer Einzelheit einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. I zeigt ein Halbleiterbauelement 100 im Vertikalschnitt mit einer.) Halbleiterkömer 102. der in Fig.2 einzeln darges;ellt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper 102 eine erste Schicht, die in einen Hauptteil 104a und einen Hilfsteil 104/j aufgeteilt ist. Eine /weite Schicht 106, die ϊ entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, enthält einen Steuerteil 106a, der zentrisch zum Hilfsteil der ersten Schicht angeordnet ist. Der Steuerteil 106a ist von dem Hauptteil 104a der ersten Schicht durch den Hilfsteil 1046 der ersten Schicht getrennt. Die zweite Schicht 106

ίο weist zusätzlich einen Abstandsteil 1066 auf, der den Hilfsteil 1046 vom Hauptteil 104a der ersten Schicht trennt. Schließlich enthält die zweite Schicht 106 einen entfernt liegenden Teil 106c, der vom Hilfsteil 1046 der ersten Schicht durch deren Hauptteil 104a getrennt ist.

ι ι Eine dritte Schicht 108 ist von der ersten Schicht durch die zweite Schicht 106 getrennt und weist die gleiche Leitfähigkeit wie die erste Schicht und eine zur zweiten Schicht 106 entgegengesetzte Leitfähigkeit auf. Eine vierte Schicht 110 weist die gleiche Leitfähigkeit wie die

:<> zweite Schicht 106 und eine zur ersten und dritten Schicht entgegengesetzte Leitfähigk°^;t auf. Der Halbleiterkörper 102 enthält zwei P-leitet;de Schichten und zwei N-leitende Schichten, die abwechselnd aufeinandergesetzt sind, so daß ein Thyristor oder ein

r> steuerbares Gleichrichterschaltungselement entsteht.

Die vierte Schicht 110 weist eine Hauptfläche 112 des Halbleiierkörpers 102 auf. Diese grenzt an eine Auflageplatte 114, die einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum

j» angrenzenden Sockelteil 116 eines Gehäuse-Anschlußteils 118 hat. Das Anschlußteil 118 besteht insbesondere aus einem Metall, beispielsweise Messing, Kupfer, Aluminium usw., weiches eine große elektrische und thermische Leitfähigkeit, jedoch einen thermischen

J'> Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sehr viel höher als der thermisch;; Ausdehnungskoeffizient des HaIbleiterkörperwerkstoffes, insbesondere Silicium ist. Da das Halbleiterbauelement bei Gebrauch oder Lagerung thermische Schwankungen aushalten muß. die von

κι -60⁰C bis +200⁰C reichen, ist es nicht erwünscht, das Anschlußteil 118 direkt mit dem Halbleiterkörper 102 zu verbinden. Dies würde zu großen thermischen Spannungen führen, die auf den Halbleiterkörper 102 übertragen würden. Damit die thermisch hervorgerufenen Span-

■ij nungen vermindert werden, besteht die Auflageplatte 114 aus einem elektrisch leitenden Metall, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist als der des Anschlußteils 118. Vorzugsweise wird dazu ein Metall, beispielsweise Wolfram. Molybdän oder Tantal

mi verwendet, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als 1 · 10-VC, jedoch vorzugsweise geringer als 0.5 ■ 10-VC. Eine dünne Schicht 119 aus geschmeidigem Metall, beispielsweise Gold oder Silber, befindet sich zwischen der

v, Auflageplatte 114 und dem Anschlußteil 118.

Das Anschlußteil 118 ist mit einem ringförmigen Flansch 120 verschweißt oder auf andere Weise an diesem befestigt, der vakuumdicht mit einem elektrisch isolierenden, ringförmigen Teil 122 verbunden ist. Das

mi Teil 122 besteht ve. zugsweise aus einem Werkstoff mit einer hoher Durchschlagfestigkeit wie beispielsweise; Glas oder Keramik.

Die Außenfläche des Teils 122 ist gem.iß Fig. 1 mit vier ringförmigen Vorsprüngen 124 versehen, damit sich

h"> der längs der äußeren Oberfläche gemessene Abstand zwischen den entgegengesetzten Enden des Teils 122 vergrößert.

Der Halbleiterkörper 102 weist eine weitere Haimt-

fläche 126 auf, die durch die erste und die zweite Schicht gebildet ist und parallel zur Hauptfläche 112 verläuft. Um die Gefahr eines Oberflächendurchbruchs des Halbleiterkörpers 102 bei Vorspannung in Durchlaßoder in Sperrichtung zu verhindern, sind die parallelen Hauptflächen 112. 126 durch eine erste geneigte Umfangsfläche 128 miteinander verbunden, die den Anoden-Emitter-Übergang 130 zwischen der dritten und der vierten Schicht im spitzen Winkel schneidet. Eine zweite geneigte Umfangsfläche 132 schneidet den Katoden-Basis-Übergang 134 zwischen der zweiten und der dritten Schicht unter einem spitzen Winkel Fs ist bekannt, daß durch Auswahl tier spitzen Winke¹, unter denen die erste und die zueile geneigte Umfangsfliiche die angrenzenden Übergänge schneiden, der elektrische Feldgradient längs der Oberflächen derart abgewandelt werden kann, daß die .Sperrspannungen in Sperrichtung nder in Durchlaßrichtung, die von dem Halbleiterbauelement («line Schaden ausgehalten werden können, erhöht

/.wischen der Innenfläche des Teils 122 und der Außenfläi he des Halbleiterkörper 102 und der Auflageplatte 114 befindet sich eine I';issi\ ierungsschichl in form eines Rings 136. der verschiedene l-'unktionen ausfuhrt Der Ring 136 wirkt so mit der Innenfläche des lcils 122 zusammen, daß er den 1 l.:.b!eitcrkörper 102 und tue Auflageplatte 114 zent.nsch gegenüber dem Sockelteii 116 des .Anschlußteils 118 festhält. Da der Ring 136 vorzugsweise aus nachgiebigem Werkstoff besteht, isl es nicht notwendig, einen .Abstand/wischen dem Teil 122 und dem Ring 136 vorzusehen, um den Ring 136 einpassen oder Unterschiede in der thermischen Ausdehnung ausgleichen zu können. Die Nachgiebigkeit des Rings Π6 ermöglich! außerdem sehr weite Toleranzen bei der Herstellung der innenflächen des Teils 122. wodurch sich die Kosten erniedrigen lassen, und schützt den Halbleiterkörper 102 vor seitlich übertragenen mechanischen Stößen, die andernfalls den Halbleiterkörper 102 zerbrechen konnten. Der Ring I 36 besteht aus einem Ubergangspassivierungswerkstoff mi; relativ großem Isolierwider· stand und relativ großer Durchbruchsfestigkeit und ist fur Ubergangsverunreinigiingen nahezu undurchdringlich. Es ist vorzuziehen. Passivierungswerkstoffe zu verwenden, die eine Di:rchbruchsfestigkeit von mindestens 10 i0^; V/cm und einen Isolier«.iderstand von mindestens 10 Ohm cm aufweisen. Einige der käuflich erhältlichen Silicongumrnis genügen diesen elektrischen Anforderungen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Ring 136 dadurch hergestellt, daß Silicongummi an den Umfang de^ Halbleiterkörpers 102 und der Auflageplatte 114 angsgossen wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Teii 122 einen Steueranschluß 138. der vakuumdicht in dieses Teil 122 eingepaßt ist. Der Steueranschluß ist mit einer am Ende verschlossenen Aussparung 140 versehen, die ein nachgiebiges Federelement 142 aufnimmt. Das untere, als Steueranschluß ausgebildete Ende 144 des Federelements 142 drückt nachgiebig gegen den Steuerteii 106a der zweiten Schicht 106 des Halbleiterkörpers 102.

Ein Hilfsrir.g 146 ist seitlich getrennt von dem unteren Ende des Federelements 142 angeordnet. Sein innerer Rand hat im wesentlichen dieselbe Ausdehnung wie der Hiifsteil 1046 der ersten Schicht, während sein äußerer Rand auf dem Abstandsteil 1066 der zweiten Schicht 106 Hegt, jedoch von dem Ha-imteil 104a der ersten Schicht beabstandet ist. Der h fsring 146 kann aus irgendeinem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen, beispielsweise aus irgendeiner bekannten Kontaktmetallschicht oder aus Kombinationen solcher Metallschichten.

Über dem Hauptteil 104.) der ersten Schicht befindet sich eine dünne Schutzschicht 148 aus siliciumfreiem Aluminium, deren äußerer Rand sich auch über den entfernten Teil 106a der zweiten Schicht 106 erstreckt. Die Schutzschicht 148 hat die Aufgabe, Widerstände

" oder Spannungsabfälle längs derjenigen Teile der ersten und zweiten Schicht zu vermindern, auf denen sie aufliegt. Es ist bekannt, daß beispielsweise Halbleiterkorper aus Silicium dünne Oxidüberzüge bilden, wenn sie der I.lift ausgesetzt werden. Wenn der Katoden-F.mitter-Übergang 150 zwischen dem Hauptteil 104;i der ersten Schicht und der zweiten Schicht 106 durch Diffusion hergestellt wird, wird Silicium über die obere Oberfläche der ersten Schicht freigelegt. Die dünne Schutzschicht 148 wird daher aufgebracht, bevor diese

... Oberfläche eine MöHichkei! hatte der: nor:v.;:!'j;; Oxidüberzug zu bilden. Wenn man die Schutzschicht 148 dünn hält, beispielsweise in der Größenordnung 10 nm bis 2.) · 20 ^: mm. ist die thermische Beanspruchung, die auf den Halbleiterkörper 102 durch die Schutzschicht 148 übertragen wird, vernachlässigbar gering.

Eine ringförmige Auflageplatte 152 deckt die Schutzschicht 148 vollständig ab. Die Auflageplatte 152 ist unter den gleichen Erwägungen für die elektrische l.eitfäh"v'<eit und die thermische Ausdehnung ausgewählt, die im Zusammenhang mit der Auflageplatte 114 abgehandelt wurden und besteht zweckmäßigerweise aus dem gleichen Metall wie die Auflageplatte 114. Da Wolfram und Molybdän, die beiden am meisten ν erwendeten .Auflageplattenmetalle, sehr steif sind, w ird

. die Verwendung eines relativ schmiegsamen Metalls für die Schutzschicht 148 vorgezogen. In diesem Fall verbessert die Schutzschicht 148 die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Auflageplatte 152 und dem Halbleiterkörper 102, weil sie einerseits die Oxidation

;■■ vermindert und sich andererseits beim Zusamrnendrükken verformt, wodurch sich eine bessere Anpassung an die angrenzende Oberfläche der Auflageplatte 152 ergibt.

Aluminium eignet sich für die Schutzschicht 148 sehr

: gut. da es ein Metall ist. welches gut leitet, schmiegsam ist und nur niedrige Kosten verursacht. Aluminium wird ganz allgemein dazu verwendet. Auflageplatten an halbleitenden Siliciumkörpern festzulöten. In diesen Fällen haftet das Aluminium dadurch an dem Silicium,

"■·■ daß es mindestens teilweise mit diesem legiert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dann, wenn man eine Auflageplatte nur gegen Aluminium drücken wii., ohne daß sie an diesem haftet, eine große Kontaktimpedanz auftritt. Dies ist durch Oberflächenrauhheiten bedingt,

Ϊ-. die sich auf dem Aluminium als Folge des Legierens ergeben. Man nimmt an. daß dies darauf beruht, daß Aluminium Silicium vor dem Legieren nicht ohne weiteres benetzt. Wenn man daher versucht, ein Aluminiumstückchen oder -lot. welches auf eine

to Siliciumbindefläche gelegt ist. zu schmelzen, dann entstehen verteilte Legierungsstellen auf der Oberfläche, von denen das Aluminium angezogen wird, da Aluminium eine Silicium-Aluminium-Legierung ohne weiteres benetzt Wenn dagegen eine dünne Schutz-

r? schicht aus Aluminium aufgebracht wird, ohne daß das Aluminium mit dem Silicium legiert, so daß das Aluminium im wesentlichen siliciumfrei bleibt, dann entsteht auf der Schutzschicht eine Oberfläche, die

keine Rauheiten aufweist und die einen Kontakt mil niedriger Impedanz gegenüber einer aufgedrückten Auflageplatte ohne andere Bindemittel ermöglich). Wenn das Aluminium mit großer Energie niedergeschlagen wird, beispielsweise durch Aufdampfen, Elektronenstrahl-Niederschlag usw.. dann scheint das Aluminium außerdem dem Silicium jedweden an seiner Oberfläche vorhandenen, gebundenen Sauerstoff zu entziehen, wodurch die Eigenschaften der niedrigen Kontaktimpedan/.en noch verbessert werden. Bei den meisten Anwendungen ist es zweckmäßig, den Hilfsring 146 gleichzeitig und auf dieselbe Weise wie die Schutzschicht 148 zn bilden, wenn dies auch nicht unbedingt erforderlich ist.

Die ringförmige Auflageplatte 152 weist an ihrer oberen Oberflache eine dünne biegsame Schicht 154 auf. die mit dem Sockeiteil 156 eines Anschlußteils 158 zusammenwirkt. Die biegsame Schicht 154 wird auf ahnlk'e Weise wie die biegsame Schicht 119 gebildei und führt eine ähnliche Funktion aus. Die AnschluMtcilc 118 und 158 können identisch aufgebaut sein mit der Ausnahme, daß das Anschlußteil 158 einen /cntrischen Schlitz 160 aufweist, in dem sich eine isolierende Auskleidung 162 befindet, wie man am besten in F i g. J erkennt. Der Schlitz 160 ermöglicht dem Federclcmcnt 142 den Zugang /um mittleren Teil der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 102. wahrend die Auskleidung 162 verhindert, daß das Federelement 142 mit dem Anschlußteil 158 kurzgeschlossen wird. Der Schlitz 160 verhindert auch, daß das Federelcment 142 seitlich verdreht wird. Der Schlitz 160 ist tiefer als die Höht- eines in der dargestellten Stellung über dem Halbleiterkörper 102 befindlichen /weiten Teil- des

■derclcments 142. Damit ist der Druck, dem das Federelement 142 ausgesetzt wird, vollständig unabhängig von dem Druck, der auf das Anschlußteil 158 ausgeübt wird. Der Schlitz 160 verhindert auch, daß sich das Federelement 142 seitlich aus seiner Stellung verdreht. Da sich nämlich ein Teil des Federelements 142 in der Aussparung 140 des Steueranschlusses 138 frei drehen kann und sich ein anderes Teil unter Bildung eines Punktkontakts auf seinem unteren Ende 144 abstützt, könnte sich bei Erschütterungen und Schwingungen des Halbleiterbauelements das Federelement 142 seitlich verdrehen, wenn es nicht festgestellt würde. Damit sichergestellt ist. daß sich das Federelement 142 nicht seitlich aus seiner Stellung herausdrehen kann, ist die Länge des genannten anderen Teils des Federelements in Richtung senkrecht zum angrenzenden Teil vorzugsweise größer als die Breite des Schlitzes 160. Gewöhnlich sollte der Schlitz 160 so bemessen sein, daß das Federelement 142 jederzeit in der aufrechten Stellung gemäß Fig. 1 gehalten ist. Da das Federelement 142 nur von einer Seite des Halbleiterbauelements zur Mitte hin ragt, ist nicht notwendig, daß sich der Schlitz 160 und/oder die Auskleidung 162 gemäß F i g. 1 über die ganze Breite des Anschlußteils 158 erstrecken.

Eine elektrisch isolierende Zentriervorrichtung 164 wirkt mit dem Innenumfang der ringförmigen Auflageplatte 152 zusammen, wodurch diese ausgerichtet ist. Die Zentriervorrichtung 164 enthält eine zentrische öffnung 166, die das Ende 144 des Federelements 142 aufnimmt Damit stellt das Federelement 142 die ringförmige Auflageplatte 152 ein.

Das Anschlußstück 158 ist vakuumdicht mit einem Flansch 168 verbunden, der mit einem Umfangsrand 170 versehen ist Ein mit diesem Rand 170 zusammenwirkenden ebenfalls mit einem Rand versehener Flansch

172 ist vakuumdicht mit dem Teil 122 verbunden.

Beim Zusammenbau des Halbleiterbauelements werden das Anschlußteil 118, der Flansch 120, das Teil 122, der Steueranschluß 138 und der mit einem Rand versehene Flansch 172 zunächst zusammengesetzt, um den unteren Gehäuseteil zu bilden. Die Auflageplatte 114 mit der dünnen daran befestigten nachgiebigen Schicht 119 und der Halbleilcrkörper 102 mit seiner Schutzschicht 148 und dem an ihm befestigten Hilfsring 146 werden mit dem gegossenen Ring 136 verbunden. Die sich ergebende Anordnung wird dann in den unteren Gehäuseteil eingesetzt und auf den Sockeiteil 116 des unteren Teils 118 aufgesetzt. Die Zentriervorrichtung 164 wird dann in die Innenfläche der ringförmigen Auflageplatte 152 eingesetzt, die dann auf dor Schutzschicht 148 angeordnet wird. Das Fcderclcmenl 142 wird in die Aussparung 140 des Steueranschlusses 138 eingesetzt und mit seinem unteren, gebogenen Ende 144 gedreht, bis sie in die Öffnung 166 der /.entnervorrichtung eintritt. Das Anschiußteii i^H wird an dem Flansch 168 befestigt, damit der obere Gehäuseteil gebildet wird. Das obere Gehäuseteil mit der Auskleidung 162 in dem Schlitz 160 des Anschlußteils 158 wird dann so aufgesetzt, daß der Sockelteil 156 über der ringförmigen Auflageplatte 152 liegt. Der Schlitz 160 wird so ausgerichtet, daß er das Fcderelemcnt 142 aufnimmt. Der Flansch 168 wird so angeordnet, daß der Rand 170 vorzugsweise in den mit einem Rand versehenen Flansch 172 eingreift, bevor der Sockelteil 156 des Anschlußtcils 158 in die nachgiebige Schicht 154 an der oberen Oberfläche der Auflageplatte 152 eingreift. Der Abstand zwischen diesen Teilen ist jedoch sehr gering gehalten, und zwar gewöhnlich geringer als 0,125 mm. Dadurch ist es möglich, daß der Randteil 170 und der mit einem Rand versehene Flansch 172 kaltgeschweißt werden, so daß sie eine vakuumdichte Verbindung bilden, während das Halbleiterbauelement minimal beansprucht wird.

Wenn das Halbleiterbauelement in Betrieb genommen wird, werden Druckkräfte auf das obere und untere Anschlußteil 118 bzw. 158 ausgeübt, damit die ringförmigen Flansche 120 und/oder 168 sich genügend verformen und der Sockelteil 156 des Anschlußteils 158 in direkten Druckkontakt mit der biegsamen Schicht 154 kommt. Es entsteht dadurch ein zusammengedrückter Stapel, bei dem das Anschlußteil 118 gegen die biegsame Schicht 119 der Auflageplatte 114 drückt, die an der Oberfläche 112 des Halbleiterkörpers 102 befestigt ist oder ihr aufliegt. Gleichzeitig drückt die Schutzschicht 148 gegen die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers 102. da sie gegen diese durch die ringförmige Auflageplatte 152 gedrückt wird, die wiederum durch den Sockelteil des Anschlußteils 158 nach innen gedruckt wird. Vorrichtungen zum Zusammendrücken der Anschlußteile und zur Herstellung eines thermischen und elektrischen Kontaktes sind in der Technik gut bekannt und gehören nicht zur Erfindung. Der obere Sockelteil 156 weist eine Aussparung 174 auf, damit die Möglichkeit eines Kontaktes mit dem Hilfsring ausgeschlossen ist. während der untere Sockelteil 116 eine Aussparung 176 über einer gleichen Fläche aufweist Das Ausrichten des oberen und des unteren Sockelteils unterbindet jede Möglichkeit daß ein Biegemoment auf den Halbleiterkörper 102 Obertragen wird, welches zu unerwünschten Beanspruchungen oder einem Bruch des Halbleiterkörpers 102 führen könnte.

Es ist nicht notwendig, die ringförmige Auflageplatte

152 an der Schutzschicht I48 oder dem angrenzenden Sockelteil 156 festzulöten oder auf andere Weise daran zu befestigen, um einen Kontakt mit geringer Impedanz zwischen dem Anschlußteil 158 und dem Halbleiterkörper 102 zu erhalten. Dies ist überraschend, weil es bisher für notwendig erachtet wurde, eine Auflageplatte direkt mit derjenigen Oberfläche eines Halbleiterkörpers zu verbinden, die au einen diffundierten Übergang angrenzt. Es ist neu, daß die Auflageplatte in dem Halbleiterbauelement lose, d. h. ohne eine direkte Verbindung mit der Schutzschicht oder dem zugehörigen Sockelteil angeordnet ist. Allein dadurch, daß eine Druckkraft auf die Schutzschicht 148 und das Sockelteil 156 ausgeübt wird, wird mittels der Auflageplatte 152 eine Verbindung mit geringer Impedanz zwischen di'in AnschluUteil 158 und dem Halbleiterkörper 102 hergestellt. Diese Anordnung bietet mehrere Vorteile. Beispielsweise ist der Verfahrensschritt, bei dem die Auflageplatte 152 mit dem Halbleiterkörper 102 und/oder dem Sockelteil 156 verlötet wird, überflüssig, wodurch sich eine Einsparung sowohl an Zeit als auch an Werkstoff ergibt. Ferner sind die Möglichkeit einer Beschädigung des Halbleiterkörpers 102 durch übergroße Beanspruchungen, die während des Lötens entstehen, und die Möglichkeit eines Ausfalls des Bauelements durch Ermüdung der Lötverbindung während thermischer Schwankungen ausgeschaltet. Weiterhin ermöglicht die Verwendung einer losen Auflageplatte 152 eine Verminderung der Dicke der Auflageplatte 152 gegenüber vergleichbaren Bauelementen, bei denen die Auflageplatte mindestens an einer Oberfläche festgelötet ist. Die Auflageplatte 114 kann an der Hauptflächc 112 des Halbleiterkörpers 102 in ähnlicher Weise aufsitzen, wie die ringförmige Auflageplatte 152 an der Hauptfläche 126 aufsitzt. Beispielsweise kann die Auflageplatte 114 lose angeordnet sein, wobei sie weder mit dem Sockelteil 116 noch mit dem Halbleiterkörper 102 direkt verbunden ist. Um die Kontaktimpedanz zu vermindern, ist es zweckmäßig, eine Schutzschicht ähnlich der Schutzschicht 148 zwischen dem Halbleiterkörper 102 und der Auflageplatte 114 vorzusehen. Es kann zweckmäßig sein, die Schutzschichten auf den gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterkörpers 102 ebenso wie auf dem Hilfsring 146 in gleicher Weise in einem einzigen oder aufeinanderfolgenden Plattierungsvorgängen zu bilden. Es hat sich natürlich gezeigt, daß die Erfindung auch Vorteile mit sich bringt, wenn nur eine der Auflageplatten 114 und 152 lose befestigt wird. Beispielsweise kann die Auflageplatte 114 mit der Hauptfläche 112 des Halbleiterkörpers 102 durch Hart- oder Weichlöten verbunden sein, ohne daß dadurch der Vorteil vermindert wird, der durch die beschriebene lose Befestigung der ringförmigen Auflageplatte 152 erreicht wird.

Das Halbleiterbauelement 100 ist ein durch einen Steueranschluß steuerbarer Gleichrichter oder Thyristor mit einer Hiifsansteuerung, die es ermöglicht, daß das Halbleiterbauelement 100 große di/dt- und dv/dr- Betriebsbedingungen aushält Wenn das Halbleiterbaue lement 100 in seinem leitenden Zustand ist dann ergibt sich ein Leitungsweg mit niedriger Impedanz für großen Strom zwischen den Anschlußteilen 118 und 158. Der Strom, der von dem Anoden-Anschlußteil 118 zu dem Kathoden-Anschlußteil 158 fließt fließt zunächst vom Sockelteil 116 zur Auflageplatte 114. Die dünne nachgiebige Schicht 119, die insbesondere eine Go'döucF jilucrSCiiiCiii iSt iSt uüfCn ^üSärrirnCnviniCn.Cri SO deformiert daß sie eine gute elektrische VerLindung zwischen dem Sockelteil 116 und der Auflageplatte 114 bildet, auch wenn irgendwelche Unregelmäßigkeiten vorliegen. Um ein^n Kontakt mit einer vergleichbaren niedrigen Impedanz zwischen der Auflageplatte 114 und dem .Sockelteil 116 mit der nachgiebigen Schicht 119 zu erreichen, wäre ein sorgfältiges Bearbeiten der Auflageplatte und des Sockelteils erforderlich. Der Strom, der von der Auflageplatte 114 zu dem Halbleiterkörper 102 und von diesem zur Auflageplatte 152 fließt, erzeugt nur einen äußerst geringen Vorwärtsspannungsabfall, weil eine dünne Schutzschicht an einer oder beiden Hauptflächen zur Verminderung der Oberflächcnimped,in/ angebracht ist. die beispielsweise durch Oxidation erzeugt sein kann. Die dünne Schutzschicht ermöglich! es. daß die Aiiflagepl.'.Men lediglich gegen den I lalbleiterkörper gedrückt und nicht an diesem festgelötet werden brauchen, selbst wenn die an die Oberflächer, des Halbleiterkörpers angrenzenden Übergänge durch Diffusion hergestellt sind. Der .Strompfad von der Auflageplatte 132 durch die nachgiebige Schicht 154 zum Sockelteil 15b des Anschhißstucks 158 weist auch eine niedrige Kontaktimpedanz auf. Die Folge davon ist. daß das Halbleiterbauelement einen geringeren Vorwärtsspannnngsabfiil' aufweist, wenn es sich in einem elektrischen Schaltkreis im leitenden Zustand befindet. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad des Bauelements verbessert, sondern auch seine Leistungsfähigkeit, da der Innenwiderstand des Bauelements auf einem realtiv niedrigen Wert gehalten ist.

In Fig.-j ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Eine Passivierungsschicht 202 aus Glas ist an den geneigten Flächen 128 und 132 angebracht, die die Übergänge 130 bzw. 134 schneiden. Die Passivierungsschicht 202 bildet einen guten Schutz gegen Verunreinigungen der Übergange 130 bzw. 134 und erhöht zusätzlich die Spitzensperrspannungen, die der Halbleiterkörper bei Vorspannung in Sperrichtung des Halbleiterbauelements aushalten kann. Das Glas weist eine Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem Halbleiterkörper von weniger als 5 ■ 10 -*/'C auf. Das heißt wenn eine Einheitslänge längs einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers gemessen wird, auf dem eine Schicht aus Glas bei ^der nahe bei der Erstarrungstemperatur des Glases aufgebracht wurde, und wenn die Temperatur des Halbleiterkörpers und des Glases anschließend auf die geringste Umgebungstemperatur erniedrigt wird, der das Halbleiterbauelement ausgesetzt ist. in dem der Halbleiterkörper verwendet wird, dann sollte die beobachtete Differenz in der Länge der Glasschicht verglichen mit dem Halbleiterkörper über die Einheitslänge, die ursprünglich bei irgendwelcher Zwischentemperatur einschließlich der beiden Temperaturextremwerte gemessen wurde, nicht größer als 5 ■ I0⁴ sein. Der thermische Ausdehnungsunterschied, der auf diese Weise ausgedrückt ist, ist ein dimensionsloses Verhältnis der Längendifferenzen pro Längeneinheit. Wenn man die thermische Ausdehnungsdifferenz unter 5 · lO^⁴ vorzugsweise unter 1 ■ 10-⁴ hält, dann werden die thermischen Beanspruchungen, die durch den Halbleiterkörper übertragen werden, auf einem Minimum gehalten, wodurch die Möglichkeit einer Spaltung, eines Bruches oder des Splitterns des Glases durch augenblicklich zugeführte Beanspruchungen oder durch Ermüdung durch thermische Schwankungen vermindert wird.

Da die Passivierungsschicht 202 mindestens einen Übergang des Halbleiterkörpers 102 überbrückt ist es

Il

wichtig daß d:3 Glas einen Isolierwiderstand von minclcsLcns IO^lriOhin ■ cm aufweist, so daß das Auftreten eines irgendwie bedeutsamen l.eckstroms im Nebenschluß zu dem Übergang, der passiviert werden ioll, verhindert wird. Damit die Passivici ungsschichi den hohen Feldstärken, die an dem Übergang bei Vorspannungen in Sperrichtung auftreten, widersteht, wie sie insbesondere bei Gleichrichtern vorkommt, ist sie so ausgewählt, daß sie eine Durchbruchsfestigkeit von mindestens 40 ■ 10' Volt/cm, vorzugsweise jedoch mindestens 200 · IO² Volt/cm für Hochspannungsgleichrichter aufweist. Wenn der Halbleiterkörper an seinem Rund in geeigneter Weist· abgeschrägt und mi' eine-r Passivierungsschicht 202 .ersehen ist, dann kann der Halbleiterkörper Vorspannungen in Sperrichtung aus halten, die Lei wesentlich höheren Potentialen liegen. ohne daß er zerstört wire!.

Zwei Beispiele für Gliiser. die die obengenannt bevorzugte thermische Ausdelinungsüifferen/, die Durchbruchsfestigkeit und die Isolierwiderstandseigen schalten, die obenerwähnt wurden, aulweisen und die sich besonder·- gut für Silicium-! lalbleiterkömer eignen. sind in Tabelle I angegeben, in eier die Prozente Gewichtsprozente darstellen.

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Es sind andere Zink-Silicium-Borat-Glaser erhältlich. die die erforderlichen physikalischen F.ieenschnften auch aufweisen. Beispielsweise können die Zi;:k-Silicium-Borat-Gläser. die in der US-PS 3! 13 878 beschrieben sind, verwendet werden.

Ein nachgiebiges ringförmiges Teil 204 ist an die Passivierungsschicht 202 angegossen. Es dient dem gleichen allgemeinen Zweck wie der Ring I 36 und w:· .t in ähnlicher Weise mit dem Gehäuse des Bauelements zusammen. Da die Passivierungsschicht 202 als Haupt schutz für the Übergänge 130 bzw. 134 dient, ist es nicht notwendig, daß das ringförmige Ί uil 204 aus Übergangs passivicrungswcrkstoff hergestellt ist, jedoch wird das ringiörniige Teil 204 zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß es die gleichen elektrischen Eigenschaften wie der King 13h hat. Dadurch kann das rirgförmige Teil 204 die die Passivierungsschicht bei der Passivierung der Übergänge unterstützen. Beispielsweise sind die Mög henkelten, daß eine Verunreinigung die Übergänge durch einen Riß oder eine andere Ungleichmäßigkeit in de·" Passiv 'er ms:- ,rhi' h'. hindurch enrich;. stn'k vor mulden. Ά'-nn im- ringförmige Teil 204 aus einem Passi · icning-u -.-!'I- su>iι u ic SiIicougummi besteht.

Neben der. I'linkMonen des P.ings 13b fuhr! das nngformige I en 20-1 ,luvh die l-unktion ims. daß es eine ■Xiif'as.'t.'plat'e 206 gegemihei der Schutzschicht 1ύ8 /ο inner;. Ά. hI u rc h die Zentrier Vorrichtung 164 entfallen kann. I),ι sieh meistens dort ein kleiner Grat 208 bildet, wo (i.is Gussgehäuse fur den ringförmigen Teii 204 an der Schul/schii Ii! 148 anliegt, wird die Auflageplatte 206 naih innen zu nun ringförmigen Teil 204 beab->t.mdet Dies .chützt davor, daß irgendwelche 1"Ue des Grates zwischen der Auflageplatte 206 und de-Schutzsehicht 148 zu liegen kommen und dadurch eine Vei bindung mit großer Impedanz hergestellt wird. Wahrend es sehr schwierig ist. bei tier Herstellung des ringförmigen Teils 204 einen kleinen Grat an der Verbindungsstelle zwischen dem gegossenen Teil und dem Halbleiterkörper zu vermeiden, kann in dem ringförmigen Teil 204 eine nach außen abgesetzte Schulter 210 auf einfache Weise und genau ausgebildet werden. Die Auflage.ilaHc 206 wird dann mit einem äußeren Rand 212 versehen, der mit der abgesetzten Schul¹ er 210 si zusammenwirkt, daß er den Haupt'.eil 214 der Auflageplatte 206 in einem bestimmten Ab-iand von dem Cir.it hält und zentriert.

Natur¹ h kann (.lic Passivierungsschicht 202 auch zwischen em Ring 136 und dem Halbleiterkörper der ■Xusführungsform nach F". g. 1 angeordnet werden. Entsprechend könnte die Passivierungsschicht 202. wenn es erforderlich ist. bei der Anordnung nach F i g. 5 weggelassen u erden. Das nngformige Teil 204 in F ι g. 5 muß nicht mi' einer abgestuften Schulter 210 ν .-sehet", sein, um die Auflageplatte 206 zu zentrieren.

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Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silicium mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Hauptfläche, mit einem in dem Halbleiterkörper durch Diffusion gebildeten Übergang, wobei der diffundierte Bereich auf der einen Seite des Übergangs bis an die erste Hauptfläche reicht, mit einem Gehäuse, in dem sich der Halbleiterkörper befindet, wobei das Gehäuse einen ringförmigen Teil aus Isolierwerkstoff enthält, in dessen öffnung sich der Halbleiterkörper befindet, mit einem ersten und einem zweiten elektrisch leitenden Anschlußteil, die beide mit den gegenüberliegenden Enden des ringförmigen Teils vakuumdicht verbunden sind, so daß sie Anschlüsse zum Leiten von Strom zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche des Halbleiterkörpers darstellen, und mit einer ersten und einer zweiten elektrischen Kontaktvorrichtung, die sich zwischen dem ersten Anschlußtei! und der ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers bzw. dem zweiten Anschlußteil und der zweiten Hauptfläche des Halbleiterkörpers befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktvorrichtung (148, 152, 154) eine Schutzschicht (148) aus siliciumfreiem Aluminium enthält, daß die Aluminiumschicht an dem diffundierten Bereich der ersten Hauptfläche (126) des Halbleiterkörpers (102) haftet, ohne jedoch mit dieser zu legieren, daß eine Auflageplatte (152) zwischen der Aluminiumschicht (148) und dem ersten Anschlußteil (158) vorgesehen ist, ohne an dieser befestigt zu sein, daß die Auflageplatte (152) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 1 χ 10-V⁰C aufweist, und zwischen der Aluminiumschicht (148) und dem ersten Anschlußteil (158) durch eine Druckkraft in leitender Verbindung gehalten wird, die über die Anschlußteile (118; 158) zugeführt wird, und daß eine dielektrische Passivierungsschicht (136, 202) den PN-Übergang am Umfang des Halbleiterkörpers umgibt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens ein PN-Übergang (130, 134) bis zum Umfang des Halbleiterkörpers (102) erstreckt und zwischen dem Umfang des Halbleiterkörpers (102) und der Innenfläche des ringförmigen Teils (122) des Gehäuses ein zur Positionierung des Halbleiterkörpers (102) bestimmter Ring (136) aus elastischem, dielektrisch passivem Material angeordnet ist, das jeden an den Umfang des Halbleiterkörpers (102) grenzenden PN-Übergang (130,134) überdeckt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der diffundierte Bereich (104a) einen inneren ringförmigen Bereich (104OJVOm gleichen Leitungstyp ringförmig und mit Abstand umgibt, wobei die beiden diffundierten Bereiche (104a, 104^ PN-Übergänge mit derjenigen Zone (106) vom entgegengesetzten Leitungstyp bilden, in die sie eindiffundiert sind, daß die Schutzschicht (148) nur an dem äußeren difundierten Bereich (104a^haftet, daß die Auflageplatte (152) der ersten Kontaktvorrichtung (154, 148, 152) ringförmig ausgebildet ist und unter Druck einen Kontakt zwischen der ersten Kontaktvorrichtung (154, 148,

152) und dem äußeren diffundierten Bereich (104a,)

herstellt, und daß an dem innerhalb des inneren diffundierten Bereichs (tO4b) befindlichen Teil der ersten Hauptfläche (126) ein Steueranschluß (144) mit der Zone (106) in Berührung steht, der aus einem elastisch gegen diese Zone (106) vorgespannten Federelement (142) besteht und einen Kontakt geringer Impedanz mit ihr bildet

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch

in gekennzeichnet, daß die Zone (106) vou drei übereinander angeordneten, dotierten Zonen (106, 108, 110) des Halbleiterkörpers ist, zwischen denen PN-Übergänge (130, 134) bestehen, die an den Umfang des Halbleiterkörpers (102) grenzen, wobei eine Zone (110), die vom gleichen Leitungstyp wie die Zone (106) ist, an die zweite Hauptfläche (112) grenzt und durch die zweite Kontaktvorrichtung (114, 119) mit dem zweiten Anschlußteil (118) verbunden ist.

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5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die zweite Kontaktvorrichtung (114,119) eine befestigungslos zwischen der zweiten Hauptfläche (112) und dem zweiten Anschlußteil (118) angeordnete Auflageplatte (114) enthält, die

:ϊ aus einem Metall besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als 1 χ 10-V⁰C ist und das durch eine den Anschlußteilen (118, 158) aufgeprägte Druckkraft in elektrisch leitender Berührung zwischen der zweiten Hauptfläche (112)

3d und dem zweiten Anschlußteil (118) gehalten ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (148) denjenigen Teil des PN-Übergangs überdeckt, der am äußeren Umfang des

si äußeren diffundierten Bereichs (104a,) an die erste Hauptfläche (126) des Halbleiterkörpers (102) grenzt, und daß auf dem an die erste Hauptfläche (126) grenzenden Teil des inneren diffundierten Bereichs (1046,7 eine Metallschicht (146) angeordnet

•to ist, die denjenigen Teil des PN Übergangs überdeckt, der am äußeren Ende des inneren diffundierten Bereichs (tO4b) an die erst? Hauptfläche (126) grenzt, ohne dabei den äußeren diffundierten Bereich (104a,) zu berühren.