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S c h e i b e n f ö r m i g e s H a l b l e i t e r - B a u e l e
m e n t Halbleiter-Bauelemente, insbesondere Leistungsgleichrichterelemente mit
scheibenförmiger Kontaktierung und Umhüllung des Halbleiterkörpers ermöglichen durch
beidseitige optimale Ableitung der Verlustleistungswärme höhere spezifische Strombelastbarkeit.
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Es sind Gleichrichterelemente bekannt, bei denen die Halbleiterscheibe
mit an ihren beiden Kontaktseiten angeordneten Kontaktplatten, die aus einem Material
mit einer derjenigen des Halbleitermaterials annähernd gleichen Wärmedehnzahl bestehen,
gasdicht zwiscben membranförmigen Kontaktblechen angeordnet ist, die nd mit ihrem
zentralen Kontaktbereich in einen ringförmigen Isolierstoffkörper hineinragen und
mit diesem durch Lötung verbunden sind. Die gehäuseäußeren Flächen der Kontaktblecbe
dienen zur flächenhaften Anlage von Stromleiterteilen.
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Weiterhin sind Ausführungsformen bekannt, bei denen die an beiden
Seiten der Halbleiterscheibe befestigten Kontaktplatten an ihrer Randzone über kreisringförmige
Verbindungsbleche durch Lötung oder Schweißung mit einem ringförmigen Isolierstoffkörper
verbunden sind und die freie Stirnfläche der Kontaktplatten jeweils zur Kontaktierung
mit Stromleiterteilen dient.
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Andere bekannte Anordnungen zeigen anstelle des einen ringförmigen
Isolierstoffkörpers zwei achsengleich aneinandergereihte Isolierringe, die an ihren
einander zugewandten Flächen
über metallische, nach außen und bedarfsweise
auch nach innen überstehende Kreisringscheiben fest miteinander verbunden sind.
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Ferner sind scheibenförmige Halbleiter-Bauelemente bekannt geworden,
bei denen die als Deckplatten des Gehäuses vorgesehenen und vorzugsweise membranförmig
ausgebildeten Kontaktbleche an ihrer Randzone über einen Isolierstoffring geführt
sind an unter Einhaltung eines ausreichenden gegenseitigen Isolationsabstandes mit
diesem mit Hilfe von geeigneten mechaniscben Bauelementen, z.B. von Sprengringen,
fest verbunden sind.
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Die bekannten Ausführungsformen erfordern teilweise einen erheblichen
Aufwand an Bauteilen und Verfahrenstechnik zur Herstellung der scheibenförmigen
Anordnung . Weiterhin besteht bei Lötprozessen zum Verschluß des Gehäuses die Gefahr
einer Beeinträchtigung der physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Halbleiterscheibe
und schließlich ist durch spezielle Ausgestaltung des Gehäuses die besondere Ausbildung
von angrenzenden Kontaktbauteilen notwendig.
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Das erfindungsgemäße Halbleiter-Baneleme.nt weist diese Nachteile
nicht auf und ermöglicht darüberhinaus einen einfachen Zusammenbau der Gehäusebauteile,
wobei eine dichte Verkapselung der Halbleiterscheibe ohne Lötprozess am Gehäuse
erzielt wird.
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Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Halbleiter-Bauelement
bei dem zwei metallische, gleichzeitig zur Kontaktierung mit angrenzenden Stromleiterteilen
vorgesehene Seitenteile und ein zwischen deren Randzonen befestigter ringförmiger
Isolierstoff-Umfangskörper das Gehäuse bilden und ein Halbleiterkörper mit seinen
Kontaktelektroden zwischen den Gehäuse-Seitenteilen angeordnet ist und besteht darin,
daß jeweils einander zugeordnete, gegenseitig angepasst ausgebildete Randzonen wenigstens
eines Gehäuse-Seitentejis und des Umfangskörpers
konzentrisch ineinandergreifend
zusammengefügt und mit Hilfe eines auf die jeweils konzentrisch umfassend angeordnete
Randzone aufgesteckten Schrumpfringes mechanisch fest verbunden sind.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 3 im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die konstruktive Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und
erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewäblt.
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Gemäß der Darstellung in Figur 1 ist eine wenigstens einen pn-Übergang
aufweisende Halbleiterscheibe 1 beidseitig mit Kontaktplatten 11 und 12, die aus
einem Mater.ial mit einer dem Halbleitermaterial annähernd gleichen Wärmedehnzabl
bestehen und eine für beidseitig optimale Ableitung der Verlustleistungswärme an
der Halbleiterscheibe 1 angepasste Flächenausdehnung aufweisen, fest verbunden.
Die beiden Kontaktplatten können gleichen Durchmesser und gleiche Dicke aufweisen,
und der dadurch zwischen ihren Randzonen bestehende Luftspalt, in dem sich die Mantelfläche
der Halbleiterscbeibe mit dem Austrittsbereich des pn-8bergangs befindet, kann vorzugsweise
mit einem Schutzlack zur Stabilisierung der Halbleiteroberfläche ausgefüllt sein.
Die aus Kontaktplatten 11, 12 und Halbleiterscheibe 1 bestehende Halbleitertablette
ist lose, jedoch flächenhaft anliegend und bedarfsweise über je eine Edelmetallfolie
31, 32 zwischen wannenförmig ausgebildeten Gebäuse-Seitenteilen 21, 22 angeordnet
Beide Seitenteile, die beispielsweise gleiche Ausbildung und Ausdehnung aufweisen
können und über welche eine gehäuseäußere Druckkontaktierung der Halbleitertablette
bei Anordnung des Bauelements zwischen angepasst ausgebildeten Anschlußbauteilen
vorgesehen ist, bestehen aus duktilem, thermisch und elektrisch gut leitendem Material,
beispielsweise aus einem Edelmetall, aus Kupfer oder aus einer an sich bekannten
Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung. Sie bilden zusammen mit einem zwischen ihren einander
zugewandten
Randzonen angeordneten, ringförmigen Isolierstoff-Um-fangskörper 40 das Gehäuse
der Halbleitertablette Im Anschluß an ihren zentralen, zur Kontaktierung vorgesehenen
Bereich weisen die Seitenteile 21, 22 jeweils mindestens eine bogenförmige, konzentrisch
verlaufende und in sich geschlossene Ausbildung 21a, 22a auf, die zur Zentrierung
der Halbleitertablette und/oder zurn Ausgleich von beim Betrieb der Anordnung entstehenden
Wärmedehnungen dient.
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Der an die bogenförmige Ausbildung 21a, 22a anschließende, ringscheibenförmige
Flächenabschnitt der Seitenteile liegt an der jeweils zugeordneten Stirnfläche des
Umfangskörpers 40 an, und die abgewinkelte, vorzugsweise achsial verlaufende Randzone
21b, 22b der Seitenteile umfasst nach dem Aufsetzen derselben auf den Umfangskörper
den an dessen jeweilige Stirnfläche angrenzenden Abschnitt seiner Außenmantelfläche.
Auf diese, den Umfangskörper umfassenden, einander zugewandten Randzonen der Seitenteile
21, 22 ist zur Erzielung einer festen und dichten Verbindung derselben mit dem Umfangskörper
40 jeweils ein metallischer Ring 51, 52 aufgeschrumpft. Diese Schrumpfringe können
runden oder vieleckigen Querschnitt aufweisen und bestehen aus einem Material, das
in dem für den Schrumpfprozess vorgesehenen Temperaturbereich, der bedarfsweise
mit Rücksicht auf die zwischen den Seitenteilen angeordnete Halbleitertablette entsprechend
begrenzt ist, eine höhere Wärmedehnzahl aufweist als das Material der Seitenteile
21, 22 und auch des Umfangskörpers 40. Bestehen beispielsweise die Seitenteile aus
einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, so können die Schrumpfringe 51, 52 aus Kupfer
hergestellt sein, und bei Verwendung von Kupfer für die Seitenteile können die Schrumpfringe
aus einem anderen geeigneten Material bestehen.
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Für den Aufbau erfindungsgemäßer Halbleiter-Bauelemente kann z.B.
ein Seitenteil mit dem Umfangskörper an geeigneten Stellen
in an
sich bekannter Weise durch Lötung oder Schweißung fest verbunden sein und ein vorgefertigtes,
becherförmiges Bauteil darstellen, welches mit dem weiteren Seitenteil erfindungsgemäß
mit Hilfe eines Schrumpfringes das Gehäuse für die Halbleitertablette bildet Für
das feste und gleichmäßige Anpressen der Seitenteil-Randabschnitte 21b, 22b an den
Umfangskörper 40 ist das Innen maß der Schrumpfringe ausschlaggebend. Seine Bemessung
richtet -sich nach dem Temperaturverhalten des Ringmaterials sowie nach dem Außenmaß
des Umfangskörpers und des zugeordneten Seitenteil-Abschnitts und soll gewährleisten,
daß die erwärmten Schrumpfringe mit Gleitsitz auf dem jeweiligen Seitenteil-Randabschnitt
angeordnet sind und abgekühlt das vorzugsweise duktile Material geeigneter Dicke
der Seitenteile einwandfrei und dicht an den Umfangskörper anpressen. Zu diesem
Zweck können die Schrumpfringe unter Berücksichtigung eines ausreichenden gegenseitigen
Isola tionsaistanies noch in Richtung gegenseitiger Annäherung über die Randzone
der Seitenteile überstehend angeordnet sein. Zur Erhöhung des elektrischen Isolationsabstandes
zwischen den beiden Seitenteil-Randabschnitten an der Außenfläche des Umfangskörpers
kann dieser in dem dafür vorgesehenen Bereich jeweils einen gehäuseäußeren, stufenförmigen
Absatz 41 aufweisen, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Bedarfsweise kann dabei
das Außenmaß des Umfangs körpers zwischen den beiden Absätzen größer sein als das
Außenmaß der Schrumpfringe 51, 52.
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Anstelle der stufenförmigen Ausbildung kann die Randzone des Umfangskörpers
auch eine gehäuseäußere Abschrägung aufweisen.
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Eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung kann darin
bestehen, daß anstelle der in Figur 1 gezeigten Seitenteile für das Gehäuse gemäß
der Darstellung in Figur 3 die an den beiden Kontaktseiten der Halbleiterscheibe
I vorgesehenen Kontaktplatten 11, 12 mit ihrem von der Halbleiterscheibe abgewandten
Abschnitt
gleichzeitig die Gehäuse-Seitenteile mit Kontaktflächen zu angrenzenden gehäussäußeren
Kontaktbauteilen bilden. Die Verbindung derselben mit dem Umfangskörper 40 stellt
jeweils ein metallischer Zwischenring 61,62 her, dessen radial verlaufender, äußerer
Flächenabschnitt auf der jeweiligen Stirnseite des Umfangskörpers beispielsweise
mittels Lötung befestigt ist, dessen bogenförmig ausgebildeter mittlerer Abschnitt
61a, 62a zwn Ausgleich von Wärmedehnungen beim Einsatz der Anordnung dient, und
dessen achsial verlaufender innerer Abschnitt an der Mantelfläche der Kontaktplatten
11, 12 anliegt und mit diesen mit Hilfe eines entsprechenden Schrumpfringes 51,
52 flächenhaft fest und dicht verbunden ist. Bezüglich des Materials für die Zwischenringe
und für die Schrumpfringe und bezüglich der Bemessung der letzteren gelten die in
der Erläuterung zu Figur 1 jeweils aufgezeigten Gesichtspunkte in entsprechender
Weise, Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements
kann darin bestehen, daß die zur konzentrischen Umfassung vorgesehene Randzone der
Gehäuse-Seitenteile eine der Funktion als Schrumpfing entsprechende Ausbildung und
Ausdehnung aufweist.
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Zur Gewährleistung einer dichten Verbindung zwischen Seitenteilen
und Umfangskörper kann dieser an den zur Anordnung von Schrumpfringen vorgesehenen
Stellen eine Metallisierung aus duktilem Material aufweisen.
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Der Gegenstand der Erfindung kann beispielsweise auch derart ausgebildet
sein, daß die der Halbleiterscheibe zugeordneten Kontaktplatten an ihrem jeweils
von der Halbleiterscheibe abgewandten Abschnitt einen flanschförmigen und der Randzone
des Umfangskörpers angepasst ausgebildeten Ansatz auftweiserl, und daß der den Umfangskörper
konzentrisch umfassende Bereich des flanschförmigen Ansatzes mit Hilfe eines auf
diesem aufgesteckten Schrumpfringes mit dem Umfangskörper fest verbunden rist.
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Die Halbleiterscheibe 1 ist über eine Sd.blmetallfolie lose zwischen
den Kontaktplatten 11, 12 angeordnet.
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Erfindungsgemäß kann ein anderes Ausführungsbeispiel in der Weise
ausgebildet sein, daß der jeweils von der Halbleiterscheibe abgewandte Abschnitt
der Kontaktplatten als Gehäuse-Seitenteil vorgesehen ist, daß die Randzone des Umfangskörpers
mit einem flanschförmigen metallischen Ring versehen ist, und daß der die zugeordnete
Kontaktplatte konzentrisch umfassende Bereich des metallischen Ringes mit Hilfe
eines auf diesen aufgesteckten Schrumpfringes mit der Kontaktplatte fest verbunden,
ist.
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Je nach verwendetem Material und gewünschter Anordnung können die
Seitenteile 21, 22 und/oder die Kontaktplatten 11, 12 an ihren zur Kontaktierung
vorgesehenen Flächen einen geeigneten metallischen Überzug mit guter thermischer
und elektrischer Leitfähigkeit aufweisen.
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Zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen gemäß der Erfindung wird
auf einen Umfangskörper, der vorzugsweise aus Keramik besteht und an entsprechenden
Stellen geeignet vorbehandelt sein kann, ein Seitenteil 21 bis zu dessen Anliegen
an der Sirnfläche des Umfangskörpers aufgesetzt und mit diesem durch Aufstecken
eines entsprechend erwärmten Schrumpfringes 51 fest verbunden. Danach wird in dieses
vorgefertigte, becherförmige Bauteil die aus Halbleiterscheibe 1 und den an ihren
beiden Kontaktseiten befestigten Kontaktplatten 11, 12 bestehende Halbleitertablette
innerhalb der einen Ring bildenden bogenförmigen Ausbildung 21a des Seitenteils
über eine Edelmetallfolie 31 eingelegt. Anschließend wird auf die freie Kontaktfläche
der weiteren Kontaktplatte 12 der Halbleiterscheibe die Edelmetallfolie 32 aufgelegt
und über die freie Stirnfläche des Umfangskörpers 210 das weitere Seitenteil 22
aufgesetzt.
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Über dasselbe wird nun der Schrumpfring 52 mit Gleitpassung aufgesteckt.
Um während des Schrumpfprozesses eine unerwünscht
hohe Erwärmung
der i.m Gehäuseinneren befindlichen Halbleitertablette durch Wärmeleitung vom erwärmten
Schrumpfring über das Seitenteil zur zugewandten Kontaktplatte zu vermeiden, kann
auf die Seitenteil-Außenfläche vor dem Aufstecken des Schrumpfringes ein entsprechend
ausgebildeter Metallkörper der eine bessere thermische Leitfähigkeit als die benachbarte
Kontaktplatte besitzt, aufgelegt werden.
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Die Erfindung ist bei entsprechender Ausbildung des Umfangskörpers
zur isolierten Durchführung von Steuerelektrodenanschlüssen auch bei steuerbaren
Halbleiter-Bauelementen mit zwei oder mehr pn-Übergängen anwendbar.