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Halbleiteranordnung
Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die einen scheibenförmigen Halbleiterkörper besitzen, der mit einer Trägerplatte grossflächig verbunden ist, die aus einem Material besteht, das eine gute elektrische Wärmeleitfähigkeit besitzt und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht. Bei Verwendung von Germanium oder Silizium kann dies z. B. Molybdän oder Wolfram sein.
Bei der Verbindung dieser Trägerplatte mit einem Körper, der zur Kühlung der Anordnung während des Betriebes dient, beispielsweise einem Kupferklotz mit Kühlfahnen, einem Kühlwasserkreislauf od. dgl., treten Schwierigkeiten auf. Die Trägerplatte muss mit dem Kühlkörper ebenfalls relativ grossflächig verbunden sein, damit ein guter Wärmeübergang und ein geringer elektrischer Widerstand der Übergangsstelle gewährleistet ist. Bei Verwendung von Weichlot (Zinnlot, Bleilot) kann es vorkommen, dass bei höheren Belastungen und entsprechend starker Wärmeentwicklung die Schmelztemperatur des Lotes zumindest örtlich überschritten wird und damit ein Ablöten auftritt.
Bei Verwendung von Hartlot (Silberlot u. dgl.) kann die erforderliche Löttemperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des vorher fest mit der Trägerplatte verbundenen Halbleiterelementes, z. B. eines Transistors, Gleichrichters oder Fotoelementes, führen. Die Anwendung von Druck, Lötmitteln und andern Hilfsmitteln ist hiebei ebenfalls nur in beschränktem Mass zulässig, da Störungen durch mechanische Spannungen, Verunreinigungen usw. auftreten können.
Weiter ist noch ein Verfahren zum Einbau eines elektrischen Halbleiterelementes, das mit einem als elektrische Zuleitung dienenden Plättchen aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, in einem Gehäuse, das aus einer Grundplatte aus gut wärmeleitendem Material und einem glockenförmigen Abschlussteil besteht, bekanntgeworden, bei dem das mit dem Halbleiterelement verbundene Plättchen mindestens teilweise in einer Ausnehmung der wesentlich dickeren Grundplatte eingeführt und durch plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand mit der Grundplatte fest verbunden wird und anschliessend der glockenförmige Gehäuseteil mit der Grundplatte durch eine weitere plastische Verformung des Grundplattenmaterials in kaltem Zustand verbunden wird (s. z. B.
DAS 1 ru8 103). Bei diesem bekannten Verfahren besteht das als elektrische Zuleitung dienende Plättchen aus Silber mit einem Gold- überzug. Die Grundplatte besteht z. B. aus Weichkupfer, welches leicht verformbar und gut wärmeleitfähig ist.
Dieses bekannte Verfahren ist bei Verwendung von Trägerplatten mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nicht wesentlich von dem des Halbleitermaterials abweicht, nicht anwendbar. Bei einer Wärmewechselbeanspruchung, wie sie im Betrieb der Halbleiteranordnung auftritt, würde nämlich die Verbindung zwischen der Grundplatte und der Trägerplatte gestört bzw. zerstört werden, weil die Wärmeausdehnungskoetiizienten dieser beiden Teile so stark voneinander abweichen, dass eine Wärmebewegung die Verbindung lockern oder lösen würde.
Die Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden. Sie betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem plattenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und wenigstens einer mit diesem ver- bundenen Trägerplatte, insbesondere aus Molybdän 0 sowie einem mit der Trägerplatte in flächenhafter Verbindung stehenden Anschlusskörper. Sie ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die einander
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zugekehrten Oberflächenteile der Trägerplatte und des Anschlusskörpers geläppt sind und zwischen den lose aneinandergelegten geläppten Flächen eine dauerhafte Druckkontaktverbindung besteht.
Vorteilhaft ist die Trägerplatte auf einem Vorsprung des Anschlusskörpers mit Hilfe eines klammerartigen Halteteils befestigt. Zweckmässig sind die Abmessungen der Trägerplatte, des Vorsprungs des Anschlusskörpers und des klammerartigen Halteteils in Richtung der Druckkraft und ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten so aufeinander abgestimmt, dass die Wärmeausdehnung des Halteteils in Richtung der Druckkraft im wesentlichen gleich der Summe der Wärmeausdehnung der Trägerplatte und des Vorsprungs in dieser Richtung ist.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In den Zeichnungen sind beispielsweise Gleichrichteranordnungen dargestellt, welche einen Aufbau gemäss der Erfindung zeigen.
In Fig. l ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der der Halteteil mit Hilfe von Schrauben an dem Kühlkörper befestigt ist. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist der Halteteil an dem Kühlkörper angebördelt. In Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Beispiel einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung vor und nach dem Zusammenbau dargestellt. Fig. 5 zeigt ein hiebei verwendetes Werkzeug. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform mit einer Silberzwischenlage dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine gekapselte Gleichrichteranordnung, bei der die eigentliche Halbleiteranordnung auf einem Bodenteil 2 befestigt ist. Dieser Bodenteil 2 der Kapselung ist dickwandig aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt und besitzt einen Gewindebolzen, mit dem er auf Kühleinrichtungen, beispielsweise mit Kühlrippen bzw. einem Kühlkreislauf versehenen Halte teilen, befestigt werden kann. Dieser Bodenteil 2 besitzt einen Vorsprung 2a, auf dem der Gleichrichter befestigt ist.
Dieser Gleichrichter kann z. B. in folgender Weise hergestellt werden : Auf eine Molybdänscheibe 3 von etwa 22 mm Durchmesser wird eine Aluminiumscheibe 4 von etwa 19 mm Durchmesser aufgelegt.
Auf diese Aluminiumscheibe wird ein Plättchen aus p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Q cm und einem Durchmesser von etwa 18 mm aufgelegt. Darauf folgt eine GoldAntimon-Folie 6, die einen etwas kleineren Durchmesser, z. B. 14 mm, als die Siliziumscheibe 5 aufweist. Das Ganze wird in ein mit diesen Materialien nicht reagierendes, nicht schmelzendes Pulver, beispielsweise Graphitpulver, eingepresst und auf etwa 8000C unter Anwendung von Druck erhitzt. Diese Erwärmung kann beispielsweise in einem Legierungsofen durchgeführt werden, welcher evakuiert bzw. mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Danach kann das so hergestellte Aggregat in an sich bekannter Weise geätzt werden. Hiebei wird insbesondere der Teil der Halbleiteroberfläche geätzt, an dem ein pn-Übergang zutage tritt.. Anschliessend wird die Halbleiteroberfläche vorteilhaft mit einem Oxydbelag versehen.
Ein in dieser Weise hergestelltes Halbleiterelement wird auf den Vorsprung 2a aufgelegt. Die Berührungsfläche zwischen den Teilen 2a und 3 wird vorher besonders behandelt, wodurch ein guter Wärme- übergang und ein guter Stromübergang gesichert wird. Z. B. wird die Oberseite des Vorsprungs 2a geläppt, danach stark versilbert und bzw. oder vergoldet, z. B. in einem galvanischen Bad mit einer Silberschichtdicke von 10 bis 20 li, und darauf nochmals kurzzeitig geläppt. Auch die Molybdänscheibe 3 wird auf der Unterseite, mit der sie auf dem Vorsprung 2a aufliegt, vorher plangeläppt.
Auf die obere Elektrode des Halbleiterelementes, die im wesentlichen aus einem Gold-SiliziumEutektikum besteht, wird nun ein Stempel 7 aufgesetzt. Dieser Stempel 7 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen. Auf seiner Unterseite, die später das Gold-Silizium-Eutektikum berührt, werden zweckmässigerweise Rillen eingedreht bzw. ein Muster eingepresst, z. B. kleinere Rillen mit je etwa 1 mm Abstand voneinander. Dann wird diese untere Stempelfläche ebenfalls versilbert und schwach geläppt. Hiedurch erhält man eine sehr saubere Aufsetzfläche des Stempels 7 auf der Halbleiteranordnung. Zweckmässigerweise wird das Gold-Silizium-Eutektikum ebenfalls vor dem Aufsetzen des Stempels 7 schwach geläppt, indem z. B. das Halbleiterelement kurzzeitig in eine Läppmaschine eingelegt wird, wobei das Eutektikum der Läppscheibe zugewendet ist.
Die Iäppdauer kann etwa 1/2 - 1 min betragen.
Auf den Stempel 7 wird nun eine Ringscheibe 8 aufgelegt, die z. B. aus den aus Stahl bestehenden Einzelscheiben 8a und 8b bestehen kann, welche mit Hilfe einer Isolierschicht 8c miteinander verbunden sind. Die Isolierschicht 8c kann beispielsweise aus einem wärmebeständigen Lack mit einem Füllmittel oder einem Ring aus Keramik bestehen. Auf diese Ringscheibe 8 werden nun zwei Tellerfedern 9 und 10, die ebenfalls aus Stahl bestehen können, aufgelegt.
Anschliessend werden zwei glockenförmige Halteteile 11 und 12 über die gesamte Anordnung gestülpt. Diese bestehen beispielsweise ebenfalls aus Stahl. Mit Hilfe von über den Umfang des Bodenteils 2 verteilten Schrauben 13 werden diese beiden Halteteile nun angezogen und pressen die einzelnen Teile der Anordnung aufeinander. Der klammerartige Teil 11 berüht mit seinem inneren Rand die Molybdänscheibe 3 und presst diese auf den Vorsprung 2a des Bodens 2 auf.
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Die beiden Teile 2a und 3 berühren einander grossflächig mit geläppten metallischen Oberflächen.
Der Halteteil 11 sorgt für einen gleichmässigen Anpressdruck und gestattet gleichzeitig eine Wärmedehnung der miteinander in Berührung stehenden Teile, ohne dass diese sich voneinander abheben oder lösen.
Zweckmässig sind die Abmessungen der Molybdänscheibe 3, des Vorsprungs 2a und des Halteteils 11 in Richtung der Druckkraft und die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Teile so aufeinander abgestimmt, dass die Wärmeausdehnung des Halteteils 11 in Richtung der Druckkraft, d. h. also in Richtung der Symmetrieachse der gesamten Anordnung, gleich der Wärmeausdehnung der Teile 2a und 3 in dieser
Richtung ist.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel besteht die Trägerplatte 3 aus Molybdän, der Vorsprung 2a aus
Kupfer und der Halteteil 11 aus Stahl. In diesem Falle müssen sich die Abmessungen dieser Teile in Richtung der Druckkraft etwa wie 3 : 5 : 8 verhalten. Beispielsweise kann die Molybdänplatte 3 eine Dicke a von
3 mm, der Vorsprung 2a eine Höhe a von 5 mm und der Halteteil 11 eine Höhe as von 8 mm aufweisen.
Der Halteteil 11 wird indirekt durch den Rand des Halteteils 12 auf den Boden 2 gepresst, während dieser Halteteil 12, dessen Bohrung mit einem Gewinde versehen ist, direkt durch die Schrauben 13 ange- drückt wird. Über die Tellerfedern 9 und 10 und den Ring 8 übt der Teil 12 den notwendigen Anpressdruck auf den Stempel 7 aus.
Die Kapsel kann durch einen glockenförmigen Teil geschlossen werden, welcher aus den Einzelteilen 14-17 besteht. Zweckmässigerweise wird dieser glockenförmige Teil vor dem Aufbringen auf den Bo- den 2 aus seinen Einzelteilen zusammengebaut.
Ein ringförmiger Teil 14, der z. B. aus einer Fernicolegierung bestehen kann, ist mit einem ander Anlötstelle metallisierten Keramikteil 15 durch Lötung verbunden. Ein balgenförmiger Metallteil 16 ist ebenfalls mit dem Teil 15 durch Lötung verbunden. An diesem Teil 16 ist ein Teil 17 mit H-förmigem
Querschnitt, z. B. durch Schweissung, befestigt.
Nach dem Aufsetzen des aus den Teilen 14-17 bestehenden glockenförmigen Teils der Kapsel wird die Kapsel durch Umbördeln eines dafür vorgesehenen Randes des Bodenteils 2 verschlossen. Der Teil 17 wird mit dem Stempel 7 durch Anquetschen verbunden. In den oberen Teil des Teils 17 wird eine elek- trische Leitung 18, z. B. eine geflochtene Kupferlitze, eingeführt und mit dem Teil 17 ebenfalls durch Anquetschen verbunden.
Die gesamte Anordnung zeigt einen sehr stabilen mechanischen Aufbau und ist auch stärkeren Wärmewechselbeanspruchungen gewachsen.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau. Gleiche Teile wurden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Unterschiede bestehen darin, dass die Halteteile 11 und 12 nicht mit Hilfe von Schrauben am Boden 2 befestigt sind, sondern dass sie an diesem wie der glockenförmige Abschlussteil durch Bördelung befestigtsind.
Ausserdem ist zwischen dem Stempel 7 und der aus den Teilen 3 - 6 bestehenden eigentlichen Halbleiteranordnung ein weiterer, an dem Stempel 7 befestigter Teil 7 a eingefügt, welcher z. B. ebenfalls aus Molybdän bestehen kann. Diese Molybdänscheibe kann ebenfalls mit einer Silberschicht, z. B. einer hart aufgelöteten Silberfolie, versehen und durch schwaches Läppen mit einer definierten Bezugsfläche versehen sein. Vor dem Läppen kann auch diese Silberschicht mit einem erhabenen Muster versehen werden.
In Fig. 3 sind Teile einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung vor der Montage dargestellt, in Fig. 4 nach dem Zusammenbau. In Fig. 5 ist ein Teil einer Vorrichtung dargestellt, welche bei der Montage Verwendung findet. Bei dieser Ausführungsform ist der Halteteil über die Ebene der der Trägerplatte gegenüberliegenden Flachseite des Halbleiterkörpers hinaus verlängert und diese Verlängerung als Halterung für weitere Anschlussteile auf dieser Seite ausgebildet.
Die Halbleiteranordnung gemäss Fig. 4 besteht aus dem Anschlusskörper 2, welcher beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, und welcher einen Vorsprung 2a besitzt, auf dem die Trägerplatte 3 mit Hilfe eines klammerartigen Halteteils 26 starr gehalten wird. Vor dem Aufbringen der Trägerplatte 3, die beispielsweise aus Molybdän bestehen kann, auf die Oberseite des Vorsprungs 2a wird diese Oberseite zweckmässigerweise mit einer Silberauflage versehen, beispielsweise galvanisch versilbert. Sowohl die versilberte Oberseite des Vorsprungs, als auch die Unterseite der Trägerplatte 3 werden
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welche mit der Trägerplatte beispielsweise durch Legierung verbunden sein kann.
Das aus den Teilen 3-6 bestehende Aggregat kann beispielsweise den gleichen Aufbau wie das entsprechende Aggregat der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweisen
Vor dem Auflegen dieses Aggregats auf den Vorsprung 2a des Anschlusskörpers 2 wird mit diesem Anschlusskörper ein weiterer Teil 27 verbunden, welcher zum Halten des Halteteils 26 und weiterer Gehäuse-
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teile dient. Der Teil 27 kann auf dem Kühlkörper beispielsweise durch Hartlötung befestigt sein und aus
Stahl bestehen.
Die Oberseite der Halbleiteranordnung, also die Elektrode 6, die aus einem Gold-Silizium-Eutekti- kum besteht, wird ebenfalls plangeläppt, worauf ein stempelförmiger Teil auf diese Oberseite aufgesetzt werden kann. Dieser stempelförmige Teil wird zweckmässigerweise ebenfalls vor dem Zusammenbau aus einzelnen Teilen zusammengesetzt, nämlich aus einem Kupferbolzen 28, einer ebenfalls aus Kupfer bestehenden Kreisringscheibe 29 und einer Molybdänscheibe 30. Diese Teile sind ebenfalls zweckmässigerweise alle miteinander hart verlötet. Auch die Unterseite der Molybdänscheibe 30 ist zweckmässigerweise mit einer Silberauflage versehen, z. B. plattiert, und danach plangeläppt.
Auf diesen stempelförmigen Teil werden nun in folgender Reihenfolge eine beispielsweise aus Stahl bestehende Ringscheibe 31, eine Glimmerscheibe 32, eine weitere Stahlscheibe 33 und drei Tellerfedern 34, 35 und 36 aufgeschoben. Anschliessend werden der Halteteil 26, welcher glockenförmig ist, über den stempelförmigen Teil geschoben, die Tellerfedern zusammengedrückt und der Halteteil 26 mit Hilfe der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung 37 mit seinem Rand in eine Hinderdrehung des Teils 27 eingepresst.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ergibt sich ein sehr gedrängter Aufbau, bei dem alle Teile in ihrer genauen Lage zueinander festgehalten werden und demzufolge weder durch mechanische Erschütterung noch durch Wärmebewegungen verschoben werden können. Eine wichtige Rolle übernimmt hiebei die Glimmerscheibe 32, welche sowohl zur elektrischen Isolierung dient als auch zur Zentrierung des stempelförmigen Teils innerhalb des Halteteils 26 und damit auf der Halbleiteranordnung. Mit ihrem äusseren Rand liegt die Glimmerscheibe 32 an dem Halteteil 26 an, während sie mit ihrem inneren Rand den Kupferbolzen 28 berüht.
Zum Schluss wird ein glockenförmiger Gehäuseteil, welcher aus den Einzelteilen 38, 39, 40 und 41 besteht, über die gesamte Anordnung gestülpt. An seinem unteren Ende wird der glockenförmige Gehäuseteil an den Teil 27 angebördelt, während der Kupferbolzen 28 durch eine Anquetschung mit dem Teil 41 verbunden wird. Der Teil 41 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, während die Teile 38 und 40 aus Stahl oder einer Fernicolegierung, wie Kovar oder Vacon, bestehen können. Der Teil 39, welcher zweckmässigerweise aus Keramik besteht, dient zur Isolierung. Er ist an den Stellen, an denen er mit den Teilen 38 und 40 zusammenstösst, metallisiert, so dass diese Teile mit ihm durch Lötung verbunden werden können. Ein Kabel 42 ist in den Teil 41 von aussen eingeschoben und ebenfalls durch Anquetschen mit diesem verbunden.
In Fig. 6 ist eine weiter verbesserte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der Fig. 4. Gleiche Teile wurden mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Neu hinzugekommen ist eine Silberschicht 29, die zwischen die Teile 2a und 3 eingefügt ist.
Gemäss den bisherigen Ausführungsbeispielen wird die Trägerplatte 3 auf den Vorsprung 2a des Kühlkörpers aufgelegt, nachdem dieser Vorsprung galvanisch versilbert wurde. Es zeigte sich, dass eine galvanische Versilberung in manchen Fällen nicht ausreichend ist, sondern dass es zweckmässig ist, eine dicke Silberschicht, beispielsweise eine Folie von 100 bis 200 J. L Stärke, auf den Vorsprung 2a des Kupferklotzes 2 aufzulegen. Bei einer Stärke der Silberschicht von mehr als 50 wird ein Durchdringen des Kupfers durch diese Silberschicht sicher verhindert. Eine derartig dicke Silberschicht ist auf galvanischem Wege schwierig herzustellen. Das Durchdringen des Kupfers muss deshalb verhindert werden, weil die Trägerplatte auf Kupfer schlecht in seitlicher Richtung gleiten kann.
Wie sich bei durchgeführten Versuchen zeigte, ist es nicht notwendig, diese Silberschicht 29 auf dem Kupferklotz durch Lötung od. dgl. zu befestigen, sondern es genügt, wenn sie lediglich zwischen den Vorsprung 2a des Anschlusskörpers und die Trägerplatte 3 eingelegt wird. Der Stromübergang und der Wärme- übergang werden durch diese Silberschicht nur in so geringem Masse behindert, dass diese Behinderung vernachlässigbar ist.
Diese Silberschicht 29 kann beispielsweise aus einer Silberfolie bestehen, welche auf beiden Seiten mit einem erhabenen Muster versehen ist, z. B. einem Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändelschrauben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Silberfolie ausgeglüht und anschliessend geätzt, z. B. mit Hilfe von Salpetersäure, wodurch sich ein feines Ätzmuster auf der Oberfläche ergibt. Vorteilhaft werden die Oberseite des Vorsprungs 2a sowie die Unterseite der Molybdänscheibe 3 plangeläppt, wodurch ein guter Wärme- und Stromübergang zwischen diesen Teilen und der Silberfolie gewährleistet ist.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Silberschicht 7 in der Form eines Netzes aus feinen Silberdrähten auszuführen, beispielsweise aus Silberdraht mit 0, 05 - 0, 3 mm Drahtstärke. Vorteilhaft wird die Seite der Trägerplatte, mit der sie auf der Silberschicht aufliegt, vorher schwach graphitiert, z. B. mit Graphitpulver eingerieben.
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Semiconductor device
Semiconductor arrangements have already become known that have a disk-shaped semiconductor body that is connected over a large area to a carrier plate made of a material that has good electrical thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion that does not differ significantly from that of the semiconductor material. When using germanium or silicon this can, for. B. molybdenum or tungsten.
Difficulties arise when connecting this carrier plate to a body which is used to cool the arrangement during operation, for example a copper block with cooling fins, a cooling water circuit or the like. The carrier plate must also be connected to the heat sink over a relatively large area so that good heat transfer and a low electrical resistance of the transition point are guaranteed. When using soft solder (tin solder, lead solder) it can happen that with higher loads and correspondingly strong heat development the melting temperature of the solder is exceeded at least locally and thus unsoldering occurs.
When using hard solder (silver solder and the like), the required soldering temperature can lead to a deterioration in the properties of the semiconductor element previously firmly connected to the carrier plate, e.g. B. a transistor, rectifier or photo element, lead. The use of pressure, solder and other aids is also only permitted to a limited extent, as disturbances due to mechanical stresses, contamination, etc. can occur.
In addition, a method for installing an electrical semiconductor element, which is connected to a plate made of a highly thermally conductive material and used as an electrical lead, in a housing that consists of a base plate made of a highly thermally conductive material and a bell-shaped end part, has become known, in which the The plate connected to the semiconductor element is at least partially inserted into a recess of the much thicker base plate and is firmly connected to the base plate by plastic deformation of the base plate material in the cold state and then the bell-shaped housing part is connected to the base plate by further plastic deformation of the base plate material in the cold state ( sz B.
DAS 1 ru8 103). In this known method, the plate serving as an electrical lead consists of silver with a gold coating. The base plate consists, for. B. made of soft copper, which is easily deformable and good thermal conductivity.
This known method cannot be used when using carrier plates with a coefficient of thermal expansion which does not differ significantly from that of the semiconductor material. In the event of thermal cycling, as occurs during operation of the semiconductor arrangement, the connection between the base plate and the carrier plate would be disturbed or destroyed because the thermal expansion coefficients of these two parts differ so greatly that a thermal movement would loosen or loosen the connection.
The invention seeks to avoid these disadvantages. It relates to a semiconductor arrangement with a plate-shaped, essentially monocrystalline semiconductor body and at least one carrier plate, in particular made of molybdenum 0, connected to it, as well as a connection body that is flatly connected to the carrier plate. It is characterized according to the invention in that the one another
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facing surface parts of the carrier plate and the connection body are lapped and there is a permanent pressure contact connection between the loosely lapped surfaces.
The carrier plate is advantageously fastened on a projection of the connection body with the aid of a clamp-like holding part. The dimensions of the carrier plate, the projection of the connection body and the clamp-like holding part in the direction of the compressive force and their coefficients of thermal expansion are appropriately matched to one another so that the thermal expansion of the holding part in the direction of the compressive force is essentially equal to the sum of the thermal expansion of the carrier plate and the projection in this direction is.
The invention is to be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments. In the drawings, for example, rectifier arrangements are shown which show a structure according to the invention.
In Fig. 1, an embodiment of the invention is shown in which the holding part is attached to the heat sink with the aid of screws. In the embodiment according to FIG. 2, the holding part is flanged onto the heat sink. 3 and 4 show another example of a semiconductor arrangement according to the invention before and after assembly. Fig. 5 shows a tool used here. In Fig. 6, an embodiment with a silver intermediate layer is shown.
1 shows an encapsulated rectifier arrangement in which the actual semiconductor arrangement is fastened on a base part 2. This bottom part 2 of the enclosure is thick-walled from a highly thermally conductive material, such as copper, and has a threaded bolt with which it can share on cooling devices, for example with cooling fins or a cooling circuit provided holding can be attached. This bottom part 2 has a projection 2a on which the rectifier is attached.
This rectifier can, for. B. be produced in the following way: On a molybdenum disk 3 of about 22 mm in diameter, an aluminum disc 4 of about 19 mm in diameter is placed.
A plate made of p-conductive silicon with a specific resistance of about 1000 Ω cm and a diameter of about 18 mm is placed on this aluminum disc. This is followed by a gold-antimony film 6, which has a slightly smaller diameter, e.g. B. 14 mm than the silicon wafer 5. The whole is pressed into a non-reacting, non-melting powder, for example graphite powder, which does not react with these materials and is heated to about 8000 ° C. while applying pressure. This heating can be carried out, for example, in an alloy furnace which is evacuated or filled with a protective gas.
The assembly thus produced can then be etched in a manner known per se. In particular, the part of the semiconductor surface at which a pn junction is exposed is etched. The semiconductor surface is then advantageously provided with an oxide coating.
A semiconductor element manufactured in this way is placed on the projection 2a. The contact surface between parts 2a and 3 is specially treated beforehand, which ensures good heat transfer and good current transfer. For example, the top of the projection 2a is lapped, then heavily silver-plated and / or gold-plated, e.g. B. in a galvanic bath with a silver layer thickness of 10 to 20 li, and then lapped again briefly. The molybdenum disk 3 is also lapped flat beforehand on the underside with which it rests on the projection 2a.
A stamp 7 is now placed on the upper electrode of the semiconductor element, which consists essentially of a gold-silicon eutectic. This stamp 7 can for example consist of copper. On its underside, which later touches the gold-silicon eutectic, grooves are expediently screwed in or a pattern is pressed in, e.g. B. smaller grooves, each about 1 mm apart. Then this lower stamp surface is also silver-plated and lightly lapped. This results in a very clean contact surface of the stamp 7 on the semiconductor arrangement. Conveniently, the gold-silicon eutectic is also weakly lapped before the punch 7 is placed, by z. B. the semiconductor element is briefly inserted into a lapping machine, with the eutectic facing the lapping disc.
The lapping time can be about 1/2 - 1 minute.
An annular disk 8 is now placed on the stamp 7, which z. B. can consist of the steel individual disks 8a and 8b, which are connected to one another by means of an insulating layer 8c. The insulating layer 8c can for example consist of a heat-resistant varnish with a filler or a ring made of ceramic. Two disc springs 9 and 10, which can also consist of steel, are now placed on this washer 8.
Two bell-shaped holding parts 11 and 12 are then placed over the entire arrangement. These are also made of steel, for example. With the help of screws 13 distributed over the circumference of the base part 2, these two holding parts are now tightened and press the individual parts of the arrangement onto one another. The inner edge of the clip-like part 11 contacts the molybdenum disk 3 and presses it onto the projection 2a of the base 2.
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The two parts 2a and 3 touch each other over a large area with lapped metallic surfaces.
The holding part 11 ensures a uniform contact pressure and at the same time allows a thermal expansion of the parts that are in contact with one another, without these lifting off from one another or becoming detached.
The dimensions of the molybdenum disk 3, the projection 2a and the holding part 11 in the direction of the compressive force and the coefficients of thermal expansion of these parts are suitably matched to one another so that the thermal expansion of the holding part 11 in the direction of the compressive force, i.e. H. that is, in the direction of the axis of symmetry of the entire arrangement, equal to the thermal expansion of parts 2a and 3 in this
Direction is.
In the example described above, the carrier plate 3 consists of molybdenum and the projection 2a
Copper and the holding part 11 made of steel. In this case, the dimensions of these parts in the direction of the compressive force must be approximately 3: 5: 8. For example, the molybdenum plate 3 can have a thickness a of
3 mm, the projection 2a has a height a of 5 mm and the holding part 11 has a height a of 8 mm.
The holding part 11 is pressed indirectly through the edge of the holding part 12 onto the base 2, while this holding part 12, the bore of which is provided with a thread, is pressed directly by the screws 13. The part 12 exerts the necessary contact pressure on the punch 7 via the disc springs 9 and 10 and the ring 8.
The capsule can be closed by a bell-shaped part, which consists of the individual parts 14-17. This bell-shaped part is expediently assembled from its individual parts before being applied to the floor 2.
An annular part 14 which, for. B. may consist of a Fernicolalierung, is connected to a solder joint metallized ceramic part 15 by soldering. A bellows-shaped metal part 16 is also connected to the part 15 by soldering. On this part 16 is a part 17 with an H-shaped
Cross section, e.g. B. by welding attached.
After the bell-shaped part of the capsule, consisting of parts 14-17, has been placed on top, the capsule is closed by flanging an edge of the bottom part 2 provided for this purpose. The part 17 is connected to the punch 7 by crimping. In the upper part of the part 17, an electrical line 18, z. B. a braided copper braid, inserted and connected to the part 17 also by crimping.
The entire arrangement shows a very stable mechanical structure and is also able to cope with stronger thermal cycling.
Fig. 2 shows a similar structure. The same parts have been given the same reference numerals. The differences are that the holding parts 11 and 12 are not fastened to the base 2 with the aid of screws, but rather that they are fastened to the base 2, like the bell-shaped end part, by flanging.
In addition, a further, attached to the stamp 7 part 7 a, which z. B. can also consist of molybdenum. This molybdenum disk can also be coated with a silver layer, e.g. B. a hard-soldered silver foil, provided and provided with a defined reference surface by weak lapping. This silver layer can also be provided with a raised pattern before lapping.
In Fig. 3 parts of a semiconductor arrangement according to the invention are shown before assembly, in Fig. 4 after assembly. In Fig. 5 a part of a device is shown which is used in the assembly. In this embodiment, the holding part is extended beyond the plane of the flat side of the semiconductor body opposite the carrier plate and this extension is designed as a holder for further connection parts on this side.
The semiconductor arrangement according to FIG. 4 consists of the connection body 2, which can be made of copper, for example, and which has a projection 2a on which the carrier plate 3 is held rigidly with the aid of a clamp-like holding part 26. Before the carrier plate 3, which can consist of molybdenum, for example, is applied to the upper side of the projection 2a, this upper side is expediently provided with a silver coating, for example galvanically silvered. Both the silver-plated top of the projection and the bottom of the carrier plate 3 are
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which can be connected to the carrier plate for example by alloy.
The unit consisting of parts 3-6 can, for example, have the same structure as the corresponding unit of the previously described exemplary embodiments
Before this unit is placed on the projection 2a of the connection body 2, a further part 27 is connected to this connection body, which is used to hold the holding part 26 and further housing
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share serves. The part 27 can be attached to the heat sink, for example by brazing, and off
Made of steel.
The top of the semiconductor arrangement, that is to say the electrode 6, which consists of a gold-silicon eutectic, is also lapped flat, whereupon a stamp-shaped part can be placed on this top. This stamp-shaped part is expediently also composed of individual parts prior to assembly, namely a copper bolt 28, an annular disk 29, also made of copper, and a molybdenum disk 30. These parts are also expediently all hard-soldered to one another. The underside of the molybdenum disk 30 is also expediently provided with a silver coating, e.g. B. plated, and then flat lapped.
An annular disk 31, for example made of steel, a mica disk 32, another steel disk 33 and three cup springs 34, 35 and 36 are now pushed onto this stamp-shaped part in the following order. Then the holding part 26, which is bell-shaped, is pushed over the punch-shaped part, the plate springs are compressed and the holding part 26 is pressed with its edge into a preventing rotation of the part 27 with the aid of the device 37 shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the result is a very compact structure in which all parts are held in their exact position relative to one another and consequently can neither be displaced by mechanical shock nor by thermal movements. The mica disk 32 assumes an important role here, which serves both for electrical insulation and for centering the stamp-shaped part within the holding part 26 and thus on the semiconductor arrangement. The outer edge of the mica disk 32 rests against the holding part 26, while its inner edge makes contact with the copper bolt 28.
Finally, a bell-shaped housing part, which consists of the individual parts 38, 39, 40 and 41, is placed over the entire arrangement. At its lower end, the bell-shaped housing part is flanged onto part 27, while the copper bolt 28 is connected to part 41 by crimping. The part 41 can for example consist of copper, while the parts 38 and 40 can consist of steel or a Fernicol alloy, such as Kovar or Vacon. The part 39, which expediently consists of ceramic, is used for insulation. It is metallized at the points where it collides with parts 38 and 40, so that these parts can be connected to it by soldering. A cable 42 is pushed into the part 41 from the outside and is also connected to it by crimping.
In Fig. 6 a further improved embodiment of the invention is shown. It corresponds essentially to FIG. 4. The same parts have been given the same reference numerals. A new addition is a silver layer 29, which is inserted between parts 2a and 3.
According to the previous exemplary embodiments, the carrier plate 3 is placed on the projection 2a of the cooling body after this projection has been galvanically silvered. It was found that galvanic silvering is not sufficient in some cases, but that it is advisable to place a thick silver layer, for example a film 100 to 200 J.L thick, on the projection 2a of the copper block 2. If the thickness of the silver layer is more than 50, a penetration of the copper through this silver layer is reliably prevented. Such a thick silver layer is difficult to produce by electroplating. Penetration of the copper must be prevented because the carrier plate cannot slide laterally on copper.
As has been shown in tests carried out, it is not necessary to attach this silver layer 29 to the copper block by soldering or the like, but it is sufficient if it is merely inserted between the projection 2a of the connection body and the carrier plate 3. The current transfer and the heat transfer are only hindered by this silver layer to such an extent that this hindrance is negligible.
This silver layer 29 can for example consist of a silver foil which is provided on both sides with a raised pattern, e.g. B. a waffle pattern similar to the knurling of knurled screws.
According to a preferred embodiment, this silver foil is annealed and then etched, for. B. with the help of nitric acid, which results in a fine etched pattern on the surface. The upper side of the projection 2a and the lower side of the molybdenum disk 3 are advantageously lapped flat, thereby ensuring good heat and current transfer between these parts and the silver foil.
However, there is also the possibility of designing the silver layer 7 in the form of a network of fine silver wires, for example of silver wire with a wire thickness of 0.05-0.3 mm. The side of the carrier plate with which it rests on the silver layer is advantageously lightly graphitized beforehand, e.g. B. rubbed with graphite powder.