DE2004776A1

DE2004776A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2004776A1
Application number: DE19702004776
Authority: DE
Inventors: W Lootens; D Lord
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-02-03
Publication date: 1970-09-03
Also published as: IE33959B1; FR2030266A1; GB1299514A; US3599057A; FR2030266B1; SE366427B; FR2091947A1; JPS5023593B1; IE33959L; DE2004776C2; FR2091947B1; BE745393A

Description

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6176 GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, New York, V.St.A.

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer geringen inneren Kontaktimpedanz und mit einem großen Schutzfaktor gegen Verunreinigungen des Überganges und thermisch und mechanisch auftretende Beanspruchungen.

Gewöhnlich wird ein Halbleiterbauelement dadurch hergestellt, daß ein Halbleiterkörper mit mindestens einem pn-übergang hermetisch in ein Gehäuse eingeschlossen wird. Gewöhnlich bestehen die leitenden Teile des Gehäuses, die als Anschlußklemmen des Halbleiterbauelementes dienen aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Messing usw., welches einen " relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verglichen mit dem Halbleiterkörper aufweist. Anstelle einer Direktverbindung zwischen den Gehäuseanschlußklemmen und dem Halbleiterkörper verwendet man gewöhnlich eine Auflageplatte zwischen beiden aus einem Metall, welches einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, gewöhnlich aus Wolfram oder Molybdän, damit der Halbleiterkörper vor Beanspruchungen geschützt ist, die von den Gehäuseanschlußklemmen bei thermischen Veränderungen übertragen werden.

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Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei denen Auflageplatten mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Gehäuseanschlußstücken und dem Halbleiterkörper verwendet werden, wurde die Notwendigkeit, die Auflageplatten sowohl an den Oberflächen der öehäuseanschlußstücke als auch den Halbleiterkörper festzulöten teilweise dadurch vermieden, daß man das Gehäuse derart ausgeführt hat, daß die Gehäuseanschlußstücke gegen die Auflageplatten gedrückt v/erden, wodurch diese wiederum gegen die Oberflächen des Halbleiterkörpers gedrückt werden. Bauelemente mit Gehäusen, die/eine Zusammendrückung der einzelnen Teile des Bauelementes bewirken, ' werden üblicherweise als Preßpackungen bezeichnet. Zusammendrückende Gehäuse haben nicht die Notwendigkeit vollständig ausgeschaltet, die Kontaktflächen zwischen den Teilen des Bauelementes zusammenzulöten, da es sich herausgestellt hat, daß große Kontaktimpedanzen entstehen, wenn Auflageplatten gegen bestimmte Teile des Bauelementes gedrückt werden, ohne daß sie gelötet sind, Es.-hat sich beispielsweise ferner gezeigt, daß ein angemessener elektrischer Kontakt dadurch hergestellt werden kann, daß lediglich eine Auflageplatte gegen eine Goldschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers gedrückt wird, wobei die Goldschicht deshalb vorgesehen ist, damit eine Verbindung durch Legierung entsteht. Man hat ferner festgestellt, daß sich ein elektrischer Kontakt mit großer Impedanz ergibt, wenn eine Auflageplatte direkt gegen die Oberfläche eines Halbleiterkörpers neben einem Übergang, der durch Diffusion hergestellt ist, gedrückt wird. Die übliche Technik sei anhand eines besonderen Ausführungsbeispiels dargestellt: Bei gesteuerten Silicium-Gleichrichtern mit einem durch Diffusion gebildeten Anoden-Emitter-Übergang und einem durch Legierung gebildeten Katoden-Emitter-Übergang ist es ttblich die Auflageplatte an der Anodeioberfläche des Halbleiterkörpers festzulöten, während die Auflageplatte für die Katodenoberfläche nur gegen die legierte Goldschicht der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers gedrückt wird und an dem Gehäuseanschlußstück festgelötet ist. Wenn alle Übergänge von gesteuerten Siliciumgleichriohter-Halbleiter-.

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bauelementen durch Diffusion hergestellt sind, dann ist es notwendig, die Auflageplatten direkt an der Anodenfläche und der Katodenfläche festzulöten, damit große Kontaktimpedanzen vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, welches eine oder mehrere Auflageplatten aufweist, bei dem es nicht notwendig/ist, die Auflageplatten an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers neben einem diffundierten Übergang festzulöten oder auf andere Weise zu befestigen, damit hohe innere Kontaktimpedanzen vermieden werden, und bei dem Jj der Halbleiterkörper und/oder die Auflageplatten in dem Gehäuse für eine einwandfreie Arbeitsweise derart angeordnet sind, daß sie nicht an dem Gehäuse befestigt sein müssen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Halbleiterbauelement vorgesehen ist, welches einen Halbleiterkörper mit einem Übergang enthält, wobei der Halbleiterkörper eine erste und eine zweite gegenüberliegende Hauptfläche aufweist, die durch den Übergang getrennt sind. Ein erstes und ein zweites Kontaktteil liegen auf der ersten bzw. der zweiten Hauptfläche auf. Ein Gehäuse umschließt den Halbleiterkörper und die Kontaktteile und es enthält einen isolierenden Teil und einen ersten und einen zweiten elektrisch leitenden Teil, die mit dem isolierenden Teil vakuumdicht verbunden sind und auf das erste und zweite Kontaktteil unter Druck aufgesetzt werden können, daß mit diesen ein eleketrisch leitender Kontakt entsteht. Um den Übergang sind nachgiebige dielektrische Teile herum angeordnet, die derart in das Gehäuse eingreifen, daß sie den Halbleiterkörper gegenüber den elektrisch leitenden Teilen ausgerichtet halten. Es ist ferner zusätzlich eine Vorrichtung zum Zentrieren der Auflageplatte in i'orm einer nachgiebigen Feder vorgesehen, die als Verbindung mit geringer Impedanz von dem Halbleiterkörper zu einer Steuerelektrode verwendet wird.

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Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Pig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine bevorzugte Ausführungs· form der Erfindung,

Pig. 2 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch den Halbleiterkörper,

Pig. 3 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 3-3 in Pig. 1,

Pig. 4 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform von oben und

Pig. 5 einen Vertikalschnitt einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung bei dem Teile weggelassen sind.

In Pig. 1 ist ein Halbleiterbauelement 100 im Vertikalschnitt dargestellt, in welchem ein Halbleiterkörper 102 angeordnet ist, der in Pig. 2 getrennt dargestellt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Halbleiterkörper eine ^ erste Schicht, die in einen Hauptteil 104a und einen Hilfsteil 104b aufgeteilt ist. Eine zweite Schicht 106, die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, enthält einen Steuerteil 106a der zentrisch um den Hilfsteil der ersten Schicht angeordnet ist. Der Steuerteil ist von dem Hauptteil der ersten Schicht durch den Hilfsteil der ersten Schicht getrennt. Die zweite Schicht weist zusätzlich einen Abstandsteil 106b auf, der den Hilfsteil von dem Hauptteil der ersten Schicht trennt. Schließlich enthält die zweite Schicht einen entfernt liegenden Teil 106c, der von dem Hilfsteil der ersten Schicht durch deren Hauptteil getrennt ist. Eine dritte Schicht 108 ist von der ersten Schicht durch die zweite

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Schicht getrennt und sie weist die gleiche Leitfähigkeit wie die erste Schicht und entgegengesetzte Leitfähigkeit wie die zweite Schicht auf. Eine vierte Schicht 110 weist die gleiche Leitfähigkeit wie die zweite Schicht auf und entgegengesetzte Leitfähigkeit wie die erste und die dritte Schicht. Der Halbleiterkörper enthält zwei p-leitende Schichten und zwei η-leitende Schichten, die abwechselnd aufeinandergesetzt sind, so daß ein Thyristor oder ein gesteuertes Gleichrichterschaltungselement entsteht.

Wie man sieht, weist die vierte Schicht 110 eine erste Hauptfläche 112 des Halbleiterkörpers auf, die an einer Auflage- f platte114 aufsitzt, die einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verglichen mit dem danebenliegenden Sockeltteil 116 des Gehäuseanschlußstückes 118 hat. Das Gehäuseanschlußstück besteht insbesondere aus Metall,beispielsweise Messing, Kupfer,Aluminium -usw., welches eine große elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, welches jedoch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sehr viel höher ist, als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterkörperwerkstoffes, insbesondere Silicium. Da das Halbleiterbauelement bei Gebrauch oder Lagerung thermische Schwankungen aushalten muß, die von -60 ⁰CbLs + 200 ⁰C reichen, ist es nicht erwünscht, das Λ

Anschlußötück direkt mit dem Halbleiterkörper zu verbinden. Dies würde zu großei thermischen Spannungen führen, die auf den Halbleiterkörper übertragen würden. Damit die thermisch hervorgerufenen Spannungen vermindert werden, besteht die Auflageplatte 114 aus. einem elektrisch leitenden Metall, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient geringer ist, als der dee Gehäuseanschlußstückes. Vorzugsweise wird dazu ein . Metall, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Tantal verwendet, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf weist, der geringer ist ale 1 · 10""^ cm/cm pro ⁰C, jedoch vor- sugeweiee geringer als 0,5 · 10"⁵cm/cm pro ⁰C. Eine dünne Schicht

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119 aus geschmeidigem Metall, beispielsweise Gold oder Silber, befindet sich zwischen der Auflageplatte 114 und dem Gehäuseanschlußstück 118.

Das Gehäuseanschlußstück 118 ist an einen -ringförmigen Plansch

120 geschweißt oder auf andere Weise befestigt. Der Plansch

ist wiederum vakuumdicht mit einem elektrisch isolierenden Ring-p teil 122 verbunden. Das Ringteil besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einer hohen Durchschlagfestigkeit wie beispielsweise Glas oder Keramik. Die Außenfläche des Ringteils ist mit vier (so wie es dargestellt ist) ringförmigen Vorsprüngen 124 versehen, damit sich der Abstand längs der äußern Oberflächen zwischen den entgegengesetzten Enden des Ringteil vergrößert.

Der Halbleiterkörper weist eine zweite Hauptfläche 126 auf, die durch die erste und die zweite Schicht gebildet ist. Die zweite Hauptfläche verläuft parallel zu der ersten Hauptfläche. Um die Gefahr eines Oberflächenüberschlags des Halbleiterkörpers bei Vorspannung in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung zu verhindern, sind die parallelen Hauptflächen durch eine erste geneigte Umfangsflache 128 miteinander verbunden, die den Anoden-Emitter-Übergang 130 zwischen der dritten und der vierten Schicht im spitzen Winkel schneidet. Eine zweite geneigte umfangsflache 132 schneidet den Katoden-Basis-Übergang 134» der zwischen der zweiten und der dritten Schicht gebildet ist, unt§r einem spitzen Winkel. Es ist bekannt, daß die spitzen Winkel unter denen die erste und"die zweite geneigte Umfangsflache die danebenliegenden' Übergänge schneiden, so ausgewählt werden können, daß der elektrische Feldgradient längs der Oberflächen abgewandelt wird, so daß die Spannungen in Sperriohtung oder in Durchlaßrichtungen, die von dem Halbleiterbauelement ohne Schaden ausgehalten werden können, erhöht werden.

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Zwischen der Innenfläche des Ringteiles 122 und der Außenfläche des -Halbleiterkörpers und der Auflageplatte 114 befindet sich ein ringförmiges Teil 136» Dieses ringförmige Teil des Halbleiterbauelementen "führt ■'verschiedene !Funktionen aus. Das ringförmige Teil wirkt so mit der Innenfläche des Ringteiles· zusammen, daß es den" Halbleiterkörper und die Auflageplatte 114 zentrisch gegenüber dem Sockelt:eil 116 des G-ehäuseanschlußstücks 118 festhält. Da das ringförmige Teil 136 vorzugsweise aus nachgiebigem Werkstoff besteht, ist es nicht notwendig, einen Abstand zwischen dem Ringteil und dem ringförmigen Teil vorzusehen, damit das ringförmige Teil einge- ι passt werden kann oder damit Unterschiede in .der thermischen " Ausdehnung ausgeglichen werden können.Die Jföchgiebigkeit des ringförmigen Teiles ermöglicht sehr weite Tolerenzen bei der Herstellung der Innenflächen des Ringteils, wodurch sich die Kosten erniedrigen lassen. Die ITachgiebigkeit des ringförmigen Teils schützt auch .den Halbleiterkörper vor seitlich übertragenen mechanischen Stößen, die andernfalls den Halbleiterkörper zerbrechen könnten. Das ringförmige Teil besteht aus • einem Übergangspassivierungswerkstoff mit relativ großem Isölierwiderstand und re lativ großer Durchschlagsfestigkeit und ist für Übergangsverunreinigungen nahezu undurchdringlich* Es ist vorzuziehen, PassivierungswerkstOffe zu verwenden, die eine. Durchschlagsfestigkeit von mindestens -- ύ 40 · '10*^ V/em und einen Isolierwiderstand von mindestens 10 Ohm · cm aufweisen. Einige der käuflich erhältlichen Silicpngutnmiea genügen diesen elektrischen Anforderungen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das ringförmige Teil dadurch hergestellt; daß Silicongummi g.egen den Umfang des Halbleiterkörpers und die Auflageplatte 114 gegossen wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Ringteil einen Steueranschluß 138, der vakuumdicht in dieses Ringteil eingepasst ist. Die Steueranschlußklemme ist mit einer am Ende verschlossenen Aussparung 44Ό versehen ,die eine nachgiebige

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Steueranschlußfeder 142 aufnimmt. Das untere Ende 144 der Steueranschlußfeder drückt nachgiebig gegen den Steuerteil 106a, der zweiten Schicht des Halbleiterkörpers.

Ein Hilfsring 146 ist seitlich getrennt von dem unteren Ende der Steueranschlußfeder angeordnet, wobei sein innerer Hand im wesentlichen über den Hilfsteil der ersten Schicht sich erstreckt und sein äußerer Rand über dem Abstancsteil der zweiten Schicht liegt, jedoch von dem Hauptteil der ersten Schicht getrennt ist. Der Hilfsring 146 kann aus irgendeinem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen, beispielsweise aus irgendeiner bekannten Kontaktmetallschicht oder aus Kombinationen solcher Metallschichten.

Über dem Hauptteil der ersten Schicht befindet sich eine dünne Schutzschicht 148 deren äußeren Ränder auch über die entfernteren Teile der zweiten Schicht ragen. Die Schutzschicht hat die Aufgabe, irgendeinen Widerstanc^-oder Spannungsabfall an dem ersten und zweiten Schichtteil, über denen sie liegt, zu vermindern. Es ist bekannt, daß beispielsweise Halbleiterkörper ■aus Silicium dünne Oxidüberzüge bilden, wenn sie der Luft ausgesetzt werden. Wenn der Katoden-Emitter-Übergang 115 zwischen dem Hauptteil der ersten Schicht und der zweiten Schicht durch Diffusion hergestellt wird, dann wird die obere Fläche der ersten Schicht dem Silicium ausgesetzt.Die dünne Schutzschicht wird aufgebracht, bevor die Oberfläche eine Möglichkeit hatte,den normalen Oxidüberzug zu bilden. Die Schutzschicht kann aus irgendeinem von verschiedenen Metallen gebildet sein, die dafür bekannt sind, daß sie Haftschichten für Halbleiterkörper bilden können, beispielsweise Aluminium, Gold, Silber, Vanadium, Platin, Nickel, Wolfram, Molybdän, Tantal und Mehrschichtenkombinationen. Wenn man die Schutzschicht dünn hält, beispiels-

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weise in der Größenordnung von 100 ä bis 2,5 · 10 mm, dann kann die thermische Beanspruchung, die auf den Halbleiterkörper durch die Schutzschicht übertragen wird, vernachlässigbar gering sein.

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Eine.ringförmige Auflageplatte 152-deckt die Schutzschicht vollständig ab. Die ringförmige Platte ist unter den gleichen ■ Erwägungen für die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Ausdehnung ausgewählt, die-im Zusammenhang mit der Auflageplatte t14 abgehandelt wurden,und sie besteht zweckmäßigerweise ■ aus dem gleichen Metall wie die Auflageplatte 114. Da Wolfram und Molbdän, die beiden am meisten verwendeten Auflageplattenmetalle , sehr steif sind, zieht man die Verwendung eines relativ schmiegsamen Metalls für die Schutzschicht vor. In diesem Fall verbessert die Schutzschicht die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Aufnahmeplatte und dem Halbleiterkörper, |j weil die Oxidation vermindert, wird und beim Zusammendrücken eine Verformung auftritt, wodurch eine bessere Anpassung an die da-' nebenliegende Oberfläche der Aufnahmeplatte sich ergibt.

Aluminium eignet sich für die Schutzschicht sehr gut, da es. ein Metall ist, welches elektrisch gut leitet, schmiegsam ist undnur niedrige Kosten verursacht·. Aluminium wird ganz allgemein dazu verwendet, Aufnähmeplatten an halbleitenden Siliciumkörpern festzulöten. In diesen Mllen haftet das Aluminium dadurch an dem Silicium, daß es mindestens teilweise mit diesem legiert. Es hat sich jedoch herausgestellt, d.af3 sich dann wenn man nur eine Auflageplatte gegen das Aluminium drücken will, ohne daß sie an dem Aluminium haftet,, eine große Kontaktimpedanz ergibt. Dies % ist durch die Oberflächenrauheit bedingt, die sich auf dem Aluminium beim.Legieren bildet. Man nimmt an, daß dies darauf beruht, daß Aluminium Silicium vor dem Legieren nicht ohne weiteres benetzt. Wenn man versucht ein Aluminiumstückchen oder -Lötmittel, welches auf eine Siliciurabindeflache gelegt ist, zu schmelzen, dann werden verteilte Legierungsstellen auf der Oberfläche auftreten und das Aluminium wird zu diesen verteilten. -.Legierungsstellen gezogen, da Aluminium die Silicium-Aluminium-Legierung ohne weiteres benetzt.Wenn eine dünne. Schutzschicht aus Aluminium aufgebracht wird,ohne daß das Aluminium an dem Silicium legiert, ao daß das Aluminium im wesentlichen siliciumfrei bleibt, dann '.entsteht auf der Schutzschicht eine Oberfläche, die

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keine Rauheit aufweist, und die es ermöglicht, daß ein Kontakt mit niedriger Impedanz gegenüber einer aufgedrückten Auflageplatte erzielt wird, ohne daß andere -Bindemittel verwendet werden müssen. Wenn das Aluminium mit großer Energie niedergeschlagen wird, beispielsweise durch Aufdampfen, Elektronenstrahl -Niederschlag usw., dann nimmt man an, daß das Aluminium das Silicium aufnimmt, und zwar immer dann, wenn verbundener Sauerstoff an'der Oberfläche vorhanden ist, wodurch die Eigenschaften der niedrigen Kontaktimpedanz noch verbessert werden. Bei den meisten Anwendungen ist es zweckmäßig den Hilfsring 146 gleichzeitig und auf dieselbe Weise wie die Schutzschicht 148 zu bilden, wenn dies auch nicht unbedingt erforderlich ist.

Die ringförmige Auflageplatte weist an ihrer oberen Oberfläche eine dünne biegsame Schicht 154 auf, die mit dem Sockelteil des Gehäuseanschlußstücks 158 zusammenwirkt. Die biegsame Schicht 154 wird auf ähnliche V/eise wie die biegsame Schicht gebildet und führt eine ähnliche Funktion aus. Die Gehäuseanschlußstücke 118 und 158 können identisch aufgebaut sein, mit der Ausnahme, daß das Gehäuseanschlußstück 158 einen zentrischen Schlitz 160 aufweist, in dem sich eine isolierende Auskleidung 162 befindet, wie man am besten in Fig. 3 erkennt. Der Schlitz ermöglicht es, daß die Steueranschlußfeder in den mitWleren Teil der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers eingreift, wobei die Auskleidung verhindert, daß die Steueranschlußfeder einen Kurzschluß mit dem Gehäuseanschlußstück 158 bildet. Der Schlitz verhindert auch, daß die Steueranschlußfeder seitlich verdreht wird. Der Schlitz ist tiefer als die Höhe des zweiten Teiles der Feder über den Halbleiterkörper, wenn sich die Feder in der dargestellten Stellung befindet. Damit ist der Druck, der der Feder zugeführt wird, vollständig unabhängig von dem Druck, der dem Gehäuseanschlußstück 158 zugeführt wird. Der Schlitz verhindert auch, daß die Feder sich seitlich aus ihrer Stellung verdreht. Da sich der vierte Teil der Feder in der Aussparung der Steuerklemme freidrehen kann und der erste Teil auf seinem untersten Ende aufsitzt, damit ein Punktkontakt entsteht, ergibt sich, daß aich bei Erschütterungen

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JAHSOiHO CfAS

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und Schwingungen des Halbleiterbauelementes die Feder ^::: seitlich verdreht, wenn sie nicht festgestellt wird. Damit sicherv_gestellt ist, daß die Feder sich seitlich nicht aus ihrer Stellung herausdrehen kann, ist die Länge des ersten Teiles der Feder in Richtung senkrecht zu dem zweiten Teil vorzugsweise größer als die Breite des Schlitzes. Gewöhnlich möchte man den Schlitz so bemessen, daß die Feder jederzeit in der aufrechten Stellung,die in Fig. 1 dargestellt ist, gehalten wird. Da-die Feder nur von einer Sei'te des Halbleiterbauelements zu der Mitte hin ragt, ist es nicht notwendig, daß der Schlitz und /oder die Auskleidung übsr die ganze. Breite des Gehäuseanschlußstücks 158, so wie es dargestellt ist, verlaufen. Eine elektrisch isolierende Zentriervorrichtung 164 wirkt mit dem Innenumfang der ringförmigen Auflageplatte zusammen, wodurch diese ausgerichtet ist. Die ZentriervorricJitung enthält eine, zentrische Öffnung 166, die das Ende 14-4. der Steueranschlußfeder aufnimmt. Damit hält die Steueranschlußfeder die ringförmige Auflageplatte fest. Das GehäuseanschTußstüc'k 158 ist vakuumdicht mit einem Flansch 168 verbunden, der wieder mit einem Umfangsrand 170 versehen ist. Ein mit diesem Rand 170 zusammenwirkender, mit einem Rand versehener Flansch. 172 ist vakuumdicht mit dem Isolierring · verbunden. · · >

Beim Zusammenbau des Halbleiterbauelementes, werden das Gehäuseanschlußstück 118, der Flansch 120 j.der Isolierring 122, die Gatteranscnlußklemme 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 Halbleiterkörper 102 mit seiner Schutzschicht 148 und d.em daran befestigten Hilfsring I46 werden mit dem gegossenen ringförmigen Teil verbunden. Die sieh ergebende Nebenanordnung wird dann in den unteren Gehäuseteil eingesetzt und auf den Sockel teil 116 des unteren Gehäuseanschlußstücks aufgesetzt. Die Zentriervorrichtung 164 wird dann in die Innenfläche der ringförmigen Auflageplatte

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152 eingesetzt, die dann über der Schutzschicht angeordnet wird. Die Steueranschlußfeder 142 wird in die Aussparung 140 der Steueranschlußklemme eingesetzt und mit ihrem unteren Ende 144 das nach oben gebogen ist, gedreht, bis sie in die Öffnung 166 der Zentriervorrichtung eintritt. Das Gehäuseanschlußstück 158 wird an dem Plansch 168 befestigt, damit der obere Gehäuseteil gebildet wird. Das obere Gehäuseteil mit der Auskleidung 162 in dem Schlitz 160 des Gehäuseanschlußstückes wird dann so aufgesetzt, daß der Sockelteil 156 über der ringförmigen Auflageplatte liegt. Der Schlitz 160 ist so ausgerichtet,daß er die Steueranschlußfeder aufnimmt. Der Plansch 168 ist so angeordnet, daß der Rand 170 vorzugsweise in den mit einem Rand versehenen Plansch 172 eingreift, bevor der Sockelteil 156 des Gehäuseanschlußstücks 158 in die nachgiebige Schicht 154 an der oberen Oberfläche der Auflageplatte 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 unu der mit einem Rand versehene Plansch 172 kaltgeschweißt worden, so daß sie eine vakuumdichte Verbindung bilden, während das Halbleiterbauelement minimal beansprucht wird.

Wenn das Halbleiterbauelement in Betrieb eingesetzt wird, dann werden Druckkräfte im oberen und im unteren Gehäuseanschlußstück 118 bzw. 158 zugeführt, so daß die ringförmigen Plansche 120 und/oder 168 sich genügend verformen,daß der Sockdlteil 156 des Gehäueeanschlußstücks 158 in direkten Druckkontakt mit der biegsamen Schicht 154 kommt..Man erkennt also, daß ein zusammengedrückter Stapel entsteht, bei dem das Gehäuseanschlußstück 118 gegen die biegsame Schicht 119 der Auflageplatte 114 drückt, die an der Oberfläche 112 des Halbleiterkörpers 102 befestigt ist, oder an ihr aufliegt. Gleichzeitig drückt die Schutzschicht 148 Qe^en die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers v/obei sie gegen diese durch die ringförmige Auflageplatte 152 gedrückt wird", die wiederum durch den Sockelteil 156 des Gehäuseanschlußstücks 158 nach innen ge-

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drückt wird. Vorrichtungen zum Zusammendrücken der Gehäuseanschlüßstücke und zur Herstellung eines thermischen und elektrischen - Kontaktes sind in der Technik gut bekannt und gehören nicht zur Erfindung. Der obere Sockelteil weist eine Aussparung 1?4 auf, damit die Möglichkeit eines Kontaktes mit dem Hilfsring ausgeschlossen ist, während der untere Sockelteil-eine Aussparung 176 über einer gleichen Flache aufweist. Ein"Ausrichten des oberen und des unteren Sockelteils unterbindet irgendeine Möglichkeit, daß ein Biegemoment auf den Halbleiterkörper 102 übertragen wird, welches zu unerwünschten Beanspruchungen oder einem Bruch des Körpers führen könnte. Jj

Es·ist nicht notwendig, die ringförmige Auflageplatte an der Schutzschicht oder dem danebenliegenden Sockeltteil festzulöten oder auf andere Weise zu befestigen damit man einen Kontakt mit geringer Impedanz zwischen dem Gehäusevanschlußstück und dem Halbleiterkörper erhält. Dies ist überraschend, weil es bisher für notwendig erachtet wurde, eine Auflageplatte direkt mit der Oberfläche eines Halbleiterkörpers neben einem diffundierten Übergang zu verbinden. Es ist ein neues Merkmal eines-Halbleiterbauelemenijes, daß die Auflageplatte in dem Bauelement "lose" angeordnet ist, d.h. ohne eine direkte Verbindung mit"der Schutzschicht oder dem zugehörigen Sockel- j teil. Allein durch eine Druckbindung mit der Schutzschicht ™ und dem Sockelteil wird eine' Verbindung mit geringer Impedanz über die Auflageplatte zwischen dem Gehäuseanschlußstück und dein Halbleiterkörper erreicht; Diese Anordnung bietet mehrere Vorteile. Beispielsweise ist der Verfahrensschritt, bei dem die Auflageplatte auf dem Halbleiterkörper und/feder dem . Sockelteil festgelötet wird, überflüssig, wodurch sich eine Einsparung sowohl an Zeit als auch an Werkstoff ergr-bt. Ferner ist die Möglichkeit einer Beschädigung des Halbleiterkörper durch übergroße Beanspruchungen, die wahrend^d'es Lötens entstehen, und die Möglichkeit eines Ausfalls=\des Bauelementes durch Ermüdung der lötverbindung während "thermischer Schwankungen ausgeschaltet;.■■ Weiterhin· ermöglicht die Verwendung einer "losen"

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Auflageplatte eine Verminderung der Dicke der Platte gegenüber der Dicke, die bei vergleichbaren Bauelementen erforderlich ist, bei denen die Auflageplatte mindestens an einer Oberfläche festgelötet ist. Die Auflageplatte 114 kann an der ersten Hauptfläche 112 des Halbleiterkörpers in ähnlicher Weise aufsitzen, wie die ringförmige Auflageplatte an der zweiten Hauptfläche 126 aufsitzt. Beispielsweise kann die Auflageplatte 114 lose angeordnet sein, wobei sie weder mit dem Sockelteil 116 noch dem Halbleiterkörper direkt verbunden ist. Um die Kontaktimpedanz zu vermindern, ist es zweckmäßig,

»eine Schutzschicht ähnlich der Schutzschicht 143 zwischen dem Halbleiterkörper und der Auflageplatte 114 vorzusehen. Es kann zweckmäßig sein, die Schutzschichten auf den gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterkörpers ebenso wie auf dem Hilfsring 146 in gleicher V/eise in einem einzigen oder aufeinanderfolgenden Piattierungsvorgangen zu bilden. Es hat sich natürlich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, wenn eine der Auflageplatten 114 und 152 "lose" befestigt sind. Beispielsweise kann die Auflageplatte 114 mit der ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers durch Hart- oder Weichlöten verbunden sein ohne das dadurch der Vorteil der durch eine "lose" Befestigung der ringförmigen Auflageplatte 152, so wie es beschrieben ist, erreicht wird, vermindert wird.

Das Halbleiterbauelement 100 ist ein durch eine Steueranschlußklemme gesteuerter Gleichrichter oder Thyristor mit einer Hilfsansteuerung, die es ermöglicht, daß das Bauelement große di/dt- und dv/dt-Betriebsbedingungen aushält. Wenn das Bauelement in seinem leitenden Zustand ist, dann ergibt sich ein Leitungsweg mit niedriger Impedanz für großen Strom zwischen den Gehäuseanschlußstücken. Der Strom, der von dem Anodenanschlußstück 118 zu dem Katoden-Anschlußstück 158 fließt, fließt zunächst von dem Sockelteil 116 zu der Auflageplatte 114. Die dünne nachgiebige Schicht 119, die insbesondere eine Gold- oder Silberschicht ist, ist durch Zusammendrücken so deformiert, daß sie eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Sockel— teil und der Auflageplatte bildet, auch wenn irgendwelche Un-

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regelmäßigkeiten vorliegen. Um einen Kontakt mit einer vergleichbaren niedrigen Impedanz zwischen der Auflageplatte und dem Sockelteil mit der nachgiebigen !Schicht zu erreichen wäre ein sorgfältiges Bearbeiten der Auflageplatte und des Sockelteils erforderlich. Der Strom, der von der Auflageplatte 114 zu-dem Halbleiterkörper und von dem Halbleiterkörper zu · , der Auflageplatte 152 fließt, erzeugt nur einen äußerst geringen Vorwärtsspannungsabfall weil eine dünne Schutzschicht an einer oder beiden Hauptflächen zur Verminderung der Oberflächenimpedanz angebracht ist, die beispielsweise durch Oxidation erzeugt sein kann. Die dünne Schutzschicht ermöglicht es, daß die Auflageplatten lediglich gegen den Halbleiterkörper gedrückt werden können und nicht an ihn festgelötet werden können, selbst wenn die Übergänge neben den Oberflächen des Halbleiter · körpers durch. Diffusion hergestellt sind. Der Strompfad von der Auflageplatte 152 durch die nachgiebige Schicht 154 zu dem Sockeltteil 15o des Gehäuseanschlußstücks 158 weist auch eine niedrige Kontaktimpedanz auf. Die Folge davon ist, daß das Halbleiterbauelement einen geringeren VorwärtsSpannungsabfall aufweist, wenn es sich in einem elektrischen Schaltkreis im leitendem Zustand befindet. Dadurch wird nicht nur der Wirkungsgrad des Bauelementes verbessert, sondern auch seine Leistungsfähigkeit, da der Innenwiderstand des Bauelementes auf einem relativ niedrigen V/ert gehalten ist.

In Tig. 5 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Eine Glaspassivierungsschicht 202 ist an den geneigten Flächen 128 und 132 angebracht, die die Übergänge 130 bzw. 134 schneiden. Die Glasschicht bildet einen guten Schutz gegen·Verunreinigungen der Halbleiterkörperübergänge _; und erhöht zusätzlich die Spitzensperrspannungen, die der Halbleiterkörper bei Vorspannung in Sperrichtung des Halbleiterbauelementes aushalten kann.- Das Glas weist eine Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem Halbleiterkörper von weniger als 5 -.* 10 auf. D.h. wenn eine

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Einheitslänge längs einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers gemessen wird, wobei eine Schicht aus Glas bei oder riL.ae bei der Erstarrungstemperatur von Glas aufgebracht wird, 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 pro Einheitslänge, die ursprünglich bei irgendeiner Zwischentemperatur gemessen wurde und einschließlich der beiden Temperaturextremwerte nicht größer als 5 * 10 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 · 10 (und zwar vorzugsweise unter 1 · 10 ) 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 Glasschicht mindestens einen Übergang des Halbleiter-

» körpers überbrückt,ist es wichtig, daß das Glas einen Isolierwiderstand von mindestens 10 0hm * cm aufweist, so daß das Auftreten eines irgendwie bedeutsamen Leckstromes im Nebenschluß zu dem Übergang, der passiviert werden soll, verhindert wird. Damit die Glasschicht in hohen Feldstärken, die an dem Übergang bei Vorrpannungen in Sperrichtung auftreten, widersteht, wie sie insbesondere bei Gleichrichtern vorkommt, ist diese Glasschicht so ausgewählt, daß sie eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 40 · 10 Volt/cm, vorzugsweise jedoch mindestens 200 * 10 Volt/cm für Hochspannungsgleichrichter aufweist. Wenn der Halbleiterkörper an seinem Rand in geeigneter Weise abgeschrägt ist und mit einer Glaspassivierungsschicht versehen ist, dann kann der Halbleiterkörper Vorspannungen in Sperr-

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richtung' aushalten _t die bei wesentlich höheren Potentialen liögen, ahne daß er zerstört wird.

Zwei Beispiele für Glaser, die^; die obengenanntebevorzugte thermisöhe Ausdehnüngsdlffer'enz, die Durchschlagsfestigkeit ühd-die Isolierwiderstandeigensehaften, die oben erwähnt wurden, aufweiten-und die sieh besonders gut für Silicium-Halbleiterkörper eignen, sind in Tabelle I angegeben, in derdie Prozente-Gewichtsprozente darstellen. ' "

Zusammensetzung, . .. ££2Μ-45 .-...' ΐ££^β^552

. . .■■'■ . 12:.55 % ."* V -." -9·⁴ $ ■ ■-

ZnO. : . ■ ... ...■:. .65;Ο5 60.0 ■

Al₂O₅ ;-■'■■ ' -■■ ■ '' ■ 0.06 ' ' -

B₂O₅ ...... 22,72 . 25,0

CeO₂ - 5.0

Bi₂O₅ ■.■■■■*"■ -'."■■'- ' ' 0.1 '

Sb₂O-J.-' -■ ■-..■.-■■■:■· : - -■ :. \ -■-.:■>- ^; _' 0.5 ■■■■- -

Das eine Glas: kann man unter dem Hande-Lsnamen "GE-GIas -551 "

und das'Glas 45 kann man unter dem Handelsnamen "Pyroceram 45" erhalten. Es" sind andere Zink-Silicium-Borat-Gläser erhältlich die die erforderlichen physikalischen Eigenschaften auch aufweisen. Beispielsweise können die Zink-Silicium-Borat-Gläser, die in der US-Patentschrift"Nr. 5 115. 878 beschrieben sind, verwendet werden.

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Das nachgiebige ringförmige Teil 204 ist über die Glasschicht 202 gegossen. Das nachgiebige ringförmige Teil 204 dient dem

gleichen allgemeinen Zweck wie das nachgiebige ringförmige Teil 136 und es wirkt in ähnlicher Weise mit dem Gehäuse des Bauelementes zusammen. Da die Glasschicht, als Hauptschutz für die Übergänge dient, ist es nicht notwendig, daß das ringförmige Teil aus Übergangspassivierungswerkstoff hergestellt ist,jedoch wird das ringförmige Teil 204 zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß es die gleichen elektrischen Eigenschaften hat, wie das ringförmige Teil 136. Dadurch kann das ringförmige Teil 204 die Glasschicht bei der Passivierung des Übergangs unterstützen. Beispielsweise sind die Möglichkeiten, daß eine "Verunreinigung die Übergänge durch einen Riß· oder eine andere Ungleichmäßigkeit in der Glasschicht erreicht, stark vermindert, wenn das ringförmige Teil 204 aus einem Passivierungswerkstoff, beispielsweise Silicongummi besteht. Neben diesen Punktionen des ringförmigen Teiles 136 führt das ringförmige Teil auch die Punktion aus, daß es die Auflageplatte 206 gegenüber der Schutzschicht 148 zentriert, wodurch die Zentriervorrichtung 164 entfallen kann. Da ein kleiner Grad 208 dort gebildet ist, wo das Gußgehäuse des, ringförmigen Teils 204 gegen die Schutzschicht stößt, ist die Auflageplatte nach innen von dem ringförmigen Teil in einem gewissen Abstand angeordnet. Dieser stößt gegen irgendeinen Teil des Grades der zwischen der Auflageplatte und der Schutzschicht liegt, so daß eine Verbindung mit großer Impedanz hergestellt wird. Da es sehr schwierig ist, einen kleinen Grad an der Verbindungsstelle zwischen dem gegossenen Teil und dem Halbleiterkörper bei der Herstellung des ringförmigen Teiles zu verhindern, kann eine nach außen abgesetzte Schulter auf einfache Weise und genau in dem ringförmigen Teil gebildet werden. Die Auflageplatte ist dann mit einem äußeren Rand versehen, der mit der abgesetzten Schulter so zusammenwirkt, daß er den Hauptteil 214 der Auflageplatte in einem bestimmten Abstand von dem Draht hält und zentriert. Natürlich kann die GlaescV.'.viht 202 auch zwischen dem ringförmigen Teil 136 und dem Halbleiterkörper bei der Ausführungsform nach Fig. 1 angeordnet

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werden. Entsprechend könnte die Grlasschicht 202, wenn es erforderlich ist, bei der Anordnung nach Hg* 5 weggelassen werden* Das ringförmige Teil 2Ö4 in Pig. 5 muß nicht mit einer abgestuften Schulter 210 versehen sein, damit die Auflageplatte 206 zentriert wird. · · .

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Claims

Patentansprüche

1/. Halbleiterbauelement mit einem Silicium-Halbleiterkörper mit einem diffundierten Übergang und mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Hauptfläche, die durch den Übergang getrennt sind, in einem ersten und einem zweiten Kontaktteil an der ersten bzw. der zweiten Hauptfläche, mit einem Gehäuse, welches den Halbleiterkörper und die Kontaktteile umhüllt und welches einen ringförmigen isolierenden Teil und einen ersten und einen zweiten elektrisch leitenden Teil aufweist, welche mit dem isolierenden Teil vakuumdicht verbunden sind und durch Zusammendrücken mit dem ersten bzw. dem zweiten Kontaktteil zusammengebracht werden können, so daß ein elektrisch leitender Kontakt entsteht, sowie mit einem dielektrischen Passivierungsmittel welches um den Umfang des Übergangs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kontaktteile eine dünne Schutzschicht aufweist, die an einer der Oberflächen des Halbleiterkörpers (102) haftet, daß eine Auflageplatte (114, 152) zwischen der Schutzschicht und einem der leitenden Teile angeordnet ist, daß die Auflageplatte(114 bzw. 152) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der des Kontaktteils, daß die Auflageplatte (114, bzw. 152) allein durch Druck eine Verbindung niedriger Impedanz mit der dünnen Schutzschicht bildet, und daß eine Vorrichtung (I36bzw. 164) zumzentrieren der Auflageplatte vorgesehen ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gce kennzeichnet , daß sich eine Steuerzone in einem bestimmten Abstand von der ersten Hauptfläche befindet, und daß ein Stromsteuerteil (142) aus einer nachgiebigen Feder gebildet ist, deren eines Ende mit der Steuerzone durch Druck einen Kontakt geringer Impedanz bildet und dadurch gleichzeitig die zugehörige Auflageplatte (I52)zen ^triert· 009836/129A
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2,

d ad u rc h g;e k e η η zeichnet, - ' ■

daß die Steuerzone zentrisch zu der ersten Oberfläche ange* ordnet ist, daß das erste Kontaktteil einen ringförmig elektrisch leitende Auflageplatte (152) aufweist und daß eine isolierende Zentriervorrichtung (164) mit der Peder (T42-) zusammenwirkt, so daß die Auflageplatte gegjsnüber der ersten..Hauptfläche ausgerichtet wird.
4. Halbleiterbauelement nach den· vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, . ' daß ein nachgiebiges dielektrisches Übergangspassivierungsmittel um den Halbleiterkörper herum angeordnet ist und mit dem Gehäuse derart zusammenwirkt, daß der Halbleiterkörper(102) gegenüber dem Gehäuse (118', 120, 124, 168, 158) ausgerichtet, ist, damit der Halbleiterkörper gegenüber d.en elektrischleitenden Teilen (118, 158) ausgerichtet ist, daß mindestens eines der Kontaktteile eine dünne Schutzschicht aufweist, die an der ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers (102) anliegt und daß eine lose Auflageplatte (114 bzw. 152) zwischen die Schutzschicht und einen der leitenden Teile gedruckt wird, wobei diese Auflageplatte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 1· 10 cm/cm pro ⁰G aufweist und daß eine Steuervorrichtung (142, 140, 138) Von dem Halbleiterkörper (102) aus dem Gehäuse herausragt.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,.- daß der Halbleiterkörper (102) aus Silicium besteht und daß die Auflageplatten (114, 152) aus einem elektrisch leitenden Metall bestehen, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 0

0,5 * 1.0 cm/cm pro ⁰C aufweist. ■

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6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (beispielsweise 148) aus Aluminium besteht.
7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (beispielsweise H8) im wesentlichen aus äiliciumfreiem Aluminium besteht.

Rei/Lo

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