DE3805489A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit
Druckverbindung, insbesondere einen verbesserten elektrischen
Kontaktaufbau zwischen einem Halbleiterelement und einem
Leiter.
Bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung mit Druck
verbindung werden ein Halbleiterelement und ein Leiter
durch eine mechanische Druckverbindung miteinander in
elektrischen Kontakt gebracht. Wenn das Halbleiterelement
und der Leiter mit einem Hartlotzusatzwerkstoff oder
dergleichen zusammengeschweißt werden, wird die Halbleiter
vorrichtung durch thermische Ermüdung des Hartlotzusatz
werkstoffes oder dergleichen verschlechtert, während ein
derartiges Problem im Falle einer mechanischen Druckverbindung
nicht entsteht.
Es bestehen jedoch die folgenden Bedingungen für eine solche
Halbleitervorrichtung mit Druckverbindung. Erstens muß eine
ausreichende Kontaktfestigkeit an dem Übergang zwischen dem
Halbleiterelement und dem Leiter vorhanden sein. Zweitens
muß die Übergangsfläche zwischen dem Halbleiterelement und
dem Leiter ein hohes Gleitvermögen sowie einen geringen
elektrischen und thermischen Widerstand haben. Weiterhin
darf das Halbleiterelement keiner übermäßigen mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt werden.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat man bereits
an eine Halbleitervorrichtung gedacht, die mit einem Kathoden
gleitkompensator zwischen einem Halbleiterelement und einem
Leiter versehen ist, wie es beispielsweise in der JP-OS
4 818/1972 beschrieben ist.
Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung im Schnitt zur
Erläuterung einer Halbleitervorrichtung mit Druckverbindung
unter Verwendung eines solchen Kathodengleitkompensators.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt eines Leistungsthyristors, der
als Halbleiterelement bei der Halbleitervorrichtung gemäß
Fig. 1 verwendet wird.
Wie in Fig. 2 angedeutet, wird zunächst von beiden Oberflächen
eines N-Typ Siliziumsubstrats 1 Gallium eindiffundiert, um
P-Typ Diffusionsbereiche 2 und 3 vorgegebener Tiefe von den
Oberflächen des N-Typ Siliziumsubstrats zu bilden, um dadurch
eine PNP-Struktur zu erhalten. Dann wird Phosphor in Form
eines Ringes in den P-Typ Diffusionsbereich 3 eindiffundiert,
um einen N-Typ Diffusionsbereich 4 zu bilden. Der P-Typ
Diffusionsbereich 2 wird mit einer Molybdänscheibe 5 verbunden,
und zwar über eine Legierungsverbindung 6 mit einem Hartlot
zusatzwerkstoff aus Aluminium. Weiterhin wird Aluminium im
Vakuum auf den N-Typ Diffusionsbereich 4 aufgedampft, um eine
Kathodenschicht 7 zu bilden, während Aluminium im Vakuum auf
einen Teil des P-Typ Diffusionsbereiches 3 aufgedampft wird,
um eine Steuerelektrodenschicht 8 zu bilden. Somit wird
ein Thyristorelement 9 hergestellt, das als Leistungsthyristor
dient.
Die Struktur der Anordnung gemäß Fig. 1 wird nachstehend
erläutert. Ein Kathodengleitkompensator 10 ist auf der
Kathodenschicht 7 des Thyristorelementes 9 vorgesehen,
und eine Einsatzplatte 11 ist auf dem Kathodengleitkompensator
10 vorgesehen, während ein Kathodenleiter 12 auf der Einsatz
platte 11 angebracht ist. Andererseits ist eine weitere
Einsatzplatte 13 unter der Molybdänscheibe 5 des Thyristor
elementes 9 vorgesehen, und ein Anodenleiter ist unter der
Einsatzplatte 13 vorgesehen. Der Kathodenleiter 12 und der
Anodenleiter 14 werden von beiden Seiten mit einem Gehäuse
oder dergleichen unter Druck gesetzt bzw. mit Druck beauf
schlagt, um dadurch die jeweiligen Elemente elektrisch
und mechanisch miteinander zu verbinden.
Der Kathodengleitkompensator 10 wird aus einem Metallmaterial,
wie z. B. Molybdän oder Wolfram hergestellt, die einen
ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium haben,
welches das Thyristorelement 9 bildet. Um gute Gleiteigen
schaften zu erzielen, wird die Oberfläche des Kathodengleit
kompensators 10 poliert, so daß die Rauhigkeit dieser Ober
fläche nicht mehr als 0,5 µm ausmacht.
Die Gründe, warum man den Kathodengleitkompensator 10 mit
einer Oberflächenrauhigkeit ausbildet, die nicht mehr als
0,5 µm ausmacht, ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
Nimmt man an, daß keine Einsatzplatte 11 vorgesehen ist,
sondern daß der Kathodenleiter 12 in direktem Kontakt mit
der Kathodenschicht 7 des Thyristorelementes 9 steht, so wird
eine große Reibung in der Kontaktfläche zwischen der Kathoden
schicht und dem Kathodenleiter 12 ausgeübt, und zwar aufgrund
der Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Thyristorelementes 9 und des Kathodenleiters 12, bedingt
durch die Temperaturänderung, die durch die Wärme hervor
gerufen wird, die von der Halbleitervorrichtung selbst im
Betrieb erzeugt wird.
Somit wird die Kathodenschicht 7 des Thyristorelementes 9
stark beschädigt, und zugleich wird das Siliziumsubstrat 1
einer erheblichen Beanspruchung ausgesetzt. Zur Lösung dieses
Problemes wird der Kathodengleitkompensator 10 aus einem
Metall, wie z. B. Molybdän oder Wolfram hergestellt, die
ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben wie Silizium,
welches das Thyristorelement 9 bildet, so daß er zwischen
dem Thyristorelement 9 und dem Kathodenleiter 12 eingesetzt
werden kann. Infolgedessen erfolgt ein Gleiten zwischen dem
Kathodengleitkondensator 10 und der Kathodenschicht 7, oder
das Gleiten zwischen dem Kathodengleitkompensator 10 und dem
Kathodenleiter 12 wird erleichtert, um die Reibung des
Thyristorelementes 9 gegenüber dem Kathodenleiter 12 zu
reduzieren. Die ist der Grund, warum beide Gleitflächen des
Kathodengleitkompensators 10 poliert werden, wie es nachstehend
beschrieben ist.
Die Einsatzplatten 11 und 13 werden aus einem leitenden
weichen Material, wie z. B. Silber hergestellt. Solche Ein
satzplatten 11 und 13 sind aus dem nachstehenden Grunde vor
gesehen: in dem Thyristorelement 9 steht der P-Typ Diffusions
bereich 2 aus Silizium in einer Legierungsverbindung mit der
Molybdänscheibe 5 über den Hartlotzusatzwerkstoff 6 aus
Aluminium. Infolgedessen wird das Thyristorelement 9 in einer
konstanten Richtung durch die Wärme gebogen, die dadurch
erzeugt wird, daß das Thyristorelement Strom führt, und zwar
durch die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
Silizium und Molybdän.
Nimmt man somit an, daß die Molybdänscheibe 5 und die Kathoden
schicht 7 in direkter Druckverbindung mit dem Anodenleiter 14
bzw. dem Kathodenleiter 12 in einem solchen gebogenen oder
gekrümmten Zustand des Thyristorelementes 9 stehen, so kann
kein ausreichender Kontakt zwischen diesen Bauelementen
erzielt werden. Daher sind leitende Weichmetallteile zwischen
diesen Bauelementen dazwischengeschaltet, um für einen aus
reichenden Kontakt zwischen ihnen zu sorgen.
Da Aluminium leicht oxidiert wird, wird eine extrem dünne
Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der Kathodenschicht 7
bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung ausgebildet.
Infolgedessen wird der elektrische Kontakt zwischen der
Kathodenschicht 7 und dem Kathodengleitkompensator 10 durch
die Anwesenheit dieses Aluminiumoxidfilmes unzureichend und
verursacht einen Potentialabfall. Somit wird der Energie
verlust in dem Thyristorelement 9 erhöht, was einen schlechten
Einfluß auf die Thyristoreigenschaften hat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleitervorrichtung
anzugeben, die einen ausgezeichneten elektrischen Kontakt
zwischen einem Halbleiterelement und einem Kathodengleit
kompensator gewährleistet und zugleich das Gleitvermögen
zwischen einem Kathodenleiter und dem Kathodengleitkompensator
aufrechterhält.
Gemäß der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung angegeben,
die folgende Komponenten aufweist: ein Halbleiterelement mit
einer Kathodenmetallschicht, die auf seiner einen Oberfläche
ausgebildet ist, und mit einer Anodenmetallschicht, die auf
seiner anderen Oberfläche ausgebildet ist, wobei ein Anoden
leiter vorgesehen ist und mit der Oberfläche der Anodenmetall
schicht in Kontakt steht; einen Kathodengleitkompensator,
dessen eine Oberfläche als unregelmäßige Oberfläche und dessen
andere Oberfläche als Gleitfläche ausgebildet sind, wobei der
Kathodengleitkompensator so angeordnet ist, daß die unregel
mäßige Oberfläche mit der Oberfläche der Kathodenmetallschicht
in Kontakt steht; einen Kathodenleiter, der so angeordnet ist,
daß er mit der Gleitfläche des Kathodengleitkompensators in
Kontakt steht; und eine Einrichtung, um den Kathodenleiter
und den Anodenleiter so zu halten, daß die jeweiligen Über
gangsflächen zwischen dem Kathodenleiter, dem Kathodengleit
kompensator, dem Halbleiterelement und dem Anodenleiter mit
Druck beaufschlagt sind.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs
beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung im Schnitt zur
Erläuterung einer herkömmlichen Halbleiter
vorrichtung;
Fig. 2 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines
Leistungsthyristors;
Fig. 3 eine Teilschnittansicht zur Erläuterung
einer Halbleitervorrichtung gemäß der
Erfindung während ihrer Herstellung;
Fig. 4 eine Teilschnittansicht zur Erläuterung der
erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung im
fertiggestellten Zustand; und in
Fig. 5 eine Schnittansicht zur Erläuterung der
gesamten Halbleitervorrichtung gemäß der
Erfindung im fertiggestellten Zustand.
Im folgenden wird auf Fig. 3 und 4 Bezug genommen, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung während und nach
der Fertigstellung zeigen, wobei gleiche Bezugszeichen wie
bei der herkömmlichen Anordnung auch gleiche oder entsprechende
Komponenten bezeichnen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist bei einem Kathodengleitkompensator
10 aus Molybdän, Wolfram oder dergleichen seine dem Kathoden
leiter 12 gegenüberliegende Oberfläche in gleicher Weise wie
bei einer herkömmlichen Anordnung poliert, und zwar mit einem
Schleifmittel kleiner Korngröße, so daß eine Gleitfläche 10 a
fertiggestellt wird, die eine Oberflächenrauhigkeit von
höchstens 0,5 µm besitzt. Die andere Oberfläche des Kathoden
gleitkompensators 10, die dem Thyristorelement 9 gegenüberliegt,
wird mit Salpetersäure oder einer gemischten Lösung davon
behandelt oder mit einem Schleifmittel großer Korngröße
poliert, so daß eine unregelmäßige Oberfläche 10 b hergestellt
wird, die eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 1 bis 5 µm
besitzt.
Auf einem Oberflächenbereich der Kathodenschicht 7 des
Thyristorelementes 9 wird natürlich nach ihrer Aufdampfung
eine Aluminiumoxidschicht 7 a gebildet.
Wenn somit die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungs
form zusammengebaut wird, so daß der Kathodenleiter 12 und
der Anodenleiter 14 von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt
werden, so wird die unregelmäßige Oberfläche 10 b des Kathoden
gleitkompensators 10 mit der Aluminiumoxidschicht 7 a auf
der Oberfläche der Kathodenschicht 7 des Thyristorelementes 9
derart in Kontakt gebracht, daß sie in die Aluminiumoxidschicht
7 a gemäß Fig. 4 hineinbeißt, so daß sie diese Aluminiumoxid
schicht 7 a durchdringt; dadurch werden das Thyristorelement 9
und der Kathodengleitkompensator 10 in direkten Kontakt mit
einander gebracht, was einen ausgezeichneten elektrischen
Kontakt ergibt.
Auch wenn das Gleitvermögen zwischen dem Thyristorelement 9
und dem Kathodengleitkompensator 10 durch die unregelmäßige
Oberfläche 10 b verschlechtert wird, die in die Aluminiumoxid
schicht 7 a hineinbeißt, so läßt die Reibung zwischen ihnen
durch Temperaturänderungen, hervorgerufen durch die Strom
führung der Vorrichtung, kein besonderes Problem entstehen,
da das Thyristorelement 9 und der Kathodengleitkompensator 10
im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
Da die Gleitfläche 10 a des Kathodengleitkompensators 10
eine wirksame Gleitfähigkeit in ähnlicher Weise wie bei einer
herkömmlichen Anordnung beibehält, wird durch die Expansion
bzw. Kontraktion, hervorgerufen durch Temperaturänderungen
des Kathodenleiters 12, kein nachteiliger Einfluß auf das
Thyristorelement 9 ausgeübt.
Fig. 5 zeigt im Schnitt die gesamte Halbleitervorrichtung
gemäß der Erfindung im fertiggestellten Zustand. Wie man
Fig. 5 entnehmen kann, hat die Halbleitervorrichtung den
folgenden Zustand, bevor das Thyristorelement 9 in einem
abdichtenden Gehäuse eingebaut wird: ein ringförmiges Keramik
teil 15 mit einer Rippe, ein Kathodenschweißflansch 16 aus
Kovar, ein Kathodenflansch 17, ein Kathodenleiter 12 mit
einem Hohlraum 12 a in seinem zentralen Bereich sowie ein
Steuerelektrodenrohr 18 aus Kovar werden mit entsprechenden
Silberlotteilen 19 luftdicht zusammengelötet.
Eine Steuerelektrodendruckfeder 20 ist in dem Hohlraum 12 a
im zentralen Bereich des Kathodenleiters 12 vorgesehen,
wobei der Hohlraum 12 a einen Steuerelektrodenstützblock 22
aus Keramik aufnimmt. Ein Steuerelektrodenleitungsdraht 21
geht durch das Zentrum eines zylindrischen Bereiches des
Steuerelektrodenstützblockes 22 hindurch und steht quer
an seiner Außenseite vor. Der Steuerelektrodenleitungsdraht 21,
der aus der Seitenfläche des Steuerelektrodenstützblockes
22 vorsteht, geht durch ein Steuerelektrodenisolierrohr 23
hindurch, welches als nutenförmige Durchführung aus Teflon
in dem Kathodenleiter 12 ausgebildet ist, und ist in das
Steuerelektrodenrohr 18 eingesetzt. Ein Anodenflansch 24
aus Kovar, der Bereiche mit S-förmigem Querschnitt auf
weist, ist am Kathodenleiter 14 mit Silberlotteilen 19 ange
bracht. Somit ist der vorläufige Zusammenbau beendet.
Dann wird der Block, gebildet von dem ringförmigen Keramikteil
15, dem Kathodenschweißflansch 16, dem Kathodenflansch 17,
dem Kathodenleiter 12 und dem Steuerelektrodenrohr 18 gegenüber
der Position gemäß Fig. 5 umgedreht, und die ringförmige
Einsatzplatte 11 und der Kathodengleitkompensator 10 werden
in dieser Reihenfolge in einen vorstehenden Bereich des
Steuerelektrodenstützblockes 22 eingepaßt. Danach werden das
Thyristorelement 9 und die Einsatzplatte 13 in dieser Reihen
folge in das Keramikteil 15 eingebaut, wie es Fig. 5 zeigt,
so daß sie von dem Anodenleiter 14 bedeckt werden. Danach
wird ein Lichtbogenschweißvorgang an den Außenumfängen des
Kathodenflansches 16 und des Anodenflansches 24 durchgeführt,
während der Kathodenleiter 12 und der Anodenleiter 14 extern
mit Druck beaufschlagt werden. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet
einen derartigen Schweißbereich. Schließlich wird Gas aus dem
Innenraum einer derartigen Halbleitervorrichtung durch das
Steuerelektrodenrohr 18 abgesaugt und durch ein neues Füllgas
ersetzt, das wiederum durch Warzenschweißen oder Buckelschweißen
abgedichtet wird. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen der
artigen Steuerelektrodenrohr-Schweißbereich.
Damit ist die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung
fertiggestellt, wobei das Thyristorelement 9, der Kathoden
gleitkompensator 10, die Einsatzplatten 11 und 13, der
Kathodenleiter 12 und der Anodenleiter 14 in Druckkontakt
miteinander stehen.
Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf die oben beschriebene
Ausführungsform im einzelnen beschränkt. Beispielsweise kann
das Halbleiterelement auch von einer Diode oder einem anderen
Halbleiterelement gebildet werden, wobei als Material auch
ein anderes als Silizium Verwendung finden kann. Der Gleit
kompensator kann außerdem auch aus einem anderen Metall als
Molybdän hergestellt werden, beispielsweise aus Wolfram, Kovar
oder Tantal, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen. Weiterhin
können zwei oder mehr derartige Gleitkompensatoren in einer
laminatförmigen Anordnung verwendet werden, um in wirksamer
Weise beim Stand der Technik auftretende Problem zu lösen.
Derartige laminatförmige Gleitkompensatoren können selbst
verständlich auch aus verschiedenen Metallmaterialien herge
stellt werden.
Die Einsatzplatten sind nicht notwendigerweise erforderlich,
vielmehr können der Kathodengleitkompensator und der Kathoden
leiter auch in direkten Kontakt miteinander gebracht werden;
alternativ kann auch das Halbleiterelement in direkten Kontakt
mit dem Anodenleiter gebracht werden.
Claims (12)
1. Halbleitervorrichtung,
gekennzeichnet durch
- - ein Halbleiterelement (9) mit einer Kathodenschicht (7), die auf seiner einen Oberfläche ausgebildet ist, und mit einer Anodenschicht, die auf seiner anderen Oberfläche ausgebildet ist;
- - einen Anodenleiter (14), der in Kontakt mit der Oberfläche der Anodenschicht angeordnet ist;
- - einen Kathodengleitkompensator (10), dessen eine Oberfläche als unregelmäßige Oberfläche (10 b) und dessen andere Oberfläche als Gleitfläche (10 a) ausgebildet sind, wobei die unregel mäßige Oberfläche (10 b) so angeordnet ist, daß sie mit der Oberfläche der Kathodenschicht (7) in Kontakt steht;
- - einen Kathodenleiter (12), der in Kontakt mit der Gleitfläche (10 a) des Kathodengleitkompensators (10) angeordnet ist; und
- - eine Halteeinrichtung für den Kathodenleiter (12) und den Anodenleiter (14), welche die Übergangsflächen zwischen dem Kathodenleiter (12), dem Kathodengleitkompensator (10), dem Halbleiterelement (9) und dem Anodenleiter (14) mit Druck beaufschlagt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenrauhigkeit der unregelmäßigen Oberfläche
(10 b) des Kathodengleitkompensators (10) 1 bis 5 µm beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenrauhigkeit der Gleitfläche (10 a) des
Kathodengleitkompensators (10) höchstens 0,5 µm beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kathodengleitkompensator (10) aus einem Material
hergestellt ist, das aus Molybdän, Wolfram, Kovar und/oder
Tantal gewählt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von Kathodengleitkompensatoren (10) in
laminatförmiger Anordnung vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vielzahl von Kathodengleitkompensatoren (10) aus
Metallmaterialien bestehen, die unterschiedlich ausgebildet
sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleiterelement (9) ein Thyristor ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleiterelement (9) eine Diode ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einsatzplatte (11) zwischen dem Kathodengleit
kondensator (10) und dem Kathodenleiter (12) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einsatzplatte (11) aus Silber besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einsatzplatte (13) zwischen dem Halbleiterelement
(9) und dem Anodenleiter (14) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einsatzplatte (13) aus Silber besteht.
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- 1989-04-28 US US07/346,277 patent/US4881118A/en not_active Expired - Lifetime
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