DE3805489C2 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Halbleitervorrichtung ist aus der JP-PS 4818/1972 bekannt.

Bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung mit Druckverbindung 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-PS 4818/1972 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 Kathodengleitkompensator 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.

Aus der DE-AS 11 88 209 ist ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper bekannt, wobei mindestens eine Kontaktelek­ trode auf eine ebene Fläche des Halbleiterkörpers aufgepreßt ist, und zwar mit einer vorgegebenen Berührungsfläche und ei­ nem vorgegebenen Flächendruck. Dabei hat mindestens eine der sich berührenden Flächen eine gleichmäßige Rauhigkeit zwischen 0,5 und 50 µm, wobei jede der beiden sich berührenden Flächen in so hohem Grade eben sein soll, daß die beiderseitigen Ab­ weichungen der gemittelten Fläche von einer geometrischen Ebene nicht größer sind als die Rauhigkeit.

Diesem herkömmlichen Halbleiterbauelement liegt die Zielset­ zung zugrunde, die Querschnittsfläche von Stromzuführungstei­ len zu vergrößern, also Kontaktflächen zu schaffen, die we­ sentlich größer als 1 mm², insbesondere mindestens etwa 10 mm² sind, um Stromüberlastungen an einzelnen Punkten zu vermeiden.

Bei der dort beschriebenen Anordnung ist zwar eine Molyb­ dänscheibe vorgesehen, die aber nicht direkt mit dem Halblei­ terkörper in mechanischem oder elektrischem Kontakt steht. Vielmehr ist diese Molybdänscheibe mit einer Silberauflage­ schicht versehen, die eine Dicke im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,3 mm haben soll, um das nachteilige Eindiffundieren von Kupfer zu vermeiden. Als besonders zweckmäßig wird eine ge­ walzte Silberfolie angesehen, die vorher geglüht worden ist.

Der Halbleiterkörper steht dabei mit einer Silberauflage, also einem weichen Material in Kontakteingriff, wobei ausdrücklich einbezogen wird, daß sich eine Rauhigkeit dieser Silberaufla­ geschicht abschleift. Abgesehen davon, daß eine Silberauflage­ schicht mit gewisser Rauhigkeit nicht geeignet ist, eine Oxid­ schicht zu durchbeißen, finden sich in der DE-AS 11 88 209 keine Hinweise, daß es darauf ankommt, einen derartigen Oxidüberzug auf einer Elektrodenschicht des Halbleiterelementes zu durchdringen. Auch finden sich keine Hinweise in der DE-AS 11 88 209 über die erforderliche Oberflächenbeschaffen­ heit eines Kathodengleitkompensators. Bei einer speziellen dort beschriebenen Bauform ist vorgesehen, daß eine inte­ grierte Struktur einer stempelförmigen Kontaktelektrode ver­ wendet wird, bei der eine Molybdänschicht in das Innere einge­ bettet und mit den anderen Komponenten hart verlötet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor­ richtung der in Rede stehenden Art anzugeben, die einen ausge­ zeichneten elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiterbauele­ ment und dem Kathodengleitkompensator gewährleistet und zugleich das Gleitvermögen zwischen dem Kathodenleiter und dem Kathodengleitkompensator aufrechterhält.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Halbleitervor­ richtung der genannten Art so auszubilden, wie es im Pa­ tentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung wird die Auf­ gabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei wird ganz be­ wußt in Kauf genommen, daß die Oberflächenrauhigkeit des Ka­ thodengleitkompensators auf der der Kathodenschicht gegenüber­ liegenden Seite hoch ist, so daß die Gleiteigenschaft schlecht ist und möglicherweise praktisch verlorengeht. Dies spielt aber für die Funktion des Kathodengleitkompensators keine nachteilige Rolle, denn das Halbleiterelement und der Katho­ dengleitkompensator haben im wesentlichen gleiche Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten, und es sind ausreichende Gleiteigenschaf­ ten auf der anderen Seite des Kathodengleitkompensators vor­ handen, die dem Kathodenleiter gegenüberliegt. Zugleich wird der Vorteil erzielt, daß die häufig unvermeidliche und sonst störende Oxidschicht auf der Kathodenschicht keine Schwierig­ keiten bereitet, denn der Kathodengleitkompensator beißt sich mit den Zähnen seiner rauhen Oberfläche durch diese Oxid­ schicht hindurch und stellt einen zuverlässigen elektrischen Kontakt mit der darunterliegenden Kathodenschicht her.

Die Erfindung wird nachstehend 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 10a 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 10b 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 7a 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 10b das Kathoden­ gleitkompensators 10 mit der Aluminiumoxidschicht 7a auf der Oberfläche der Kathodenschicht 7 des Thyristorelementes 9 derart in Kontakt gebracht, daß sie in die Aluminiumoxidschicht 7a gemäß Fig. 4 hineinbeißt, so daß sie diese Aluminiumoxid­ schicht 7a 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 10b verschlechtert wird, die in die Aluminiumoxid­ schicht 7a 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 Gleitflächen 10a 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 Anodenschweißflansch 16 aus Kovar, ein Kathodenflansch 17, ein Kathodenleiter 12 mit einem Hohlraum 12a in seinem zentralen Bereich sowie ein Steuerelektrodenrohr 18 aus Kovar werden mit entsprechenden Silberlotteilen 19 luftdicht zusammengelötet.

Eine Steuerelektrodendruckfeder 20 ist in dem Hohlraum 12a im zentralen Bereich des Kathodenleiters 12 vorgesehen, wobei der Hohlraum 12a 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 Anodenschweißflansch 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.

Das Halbleiterbauelement kann 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, einer Eisen-Kobalt-Nickellegierung (Kovar) oder Tantal, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen.

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 (4)

1. Halbleitervorrichtung, umfassend

• - ein Halbleitebauelement (9) mit einer Kathodenschicht (7), die auf seiner einen Oberfläche ausgebildet ist, und mit einer Anodenschicht, die auf seiner gegenüber­ liegenden Oberfläche ausgebildet ist,
• - einen Anodenleiter (14), der der Anodenschicht gegen­ überliegend angeordnet ist,
• - einen Kathodenleiter (12), der der Kathodenschicht (7) gegenüberliegend angeordnet ist,
• - einen Kathodengleitkompensator (10), der zwischen dem Kathodenleiter (12) einerseits und der Kathodenschicht (7) andererseits angeordnet ist und zwei gegenüberlie­ gende Oberflächen (10a, 10b) aufweist, und
• - eine Halteeinrichtung für den Kathodenleiter (12) und den Anodenleiter (14), welche die Übergangsflächen zwischen dem Kathodenleiter (12), dem Kathodengleit­ kompensator (10), dem Halbleiterbauelement (9) und dem Anodenleiter (14) in leitendem Druckkontakt miteinan­ der hält,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathodenschicht (7) aus Aluminium mit einer oberflächlichen Aluminiumoxidschicht (7a) besteht,
daß der Kathodengleitkompensator (10) auf seiner der Ka­ thodenschicht (7) gegenüberliegenden Seite eine erste Oberfläche (10b) mit einer vorgegebenen Oberflächenrau­ higkeit aufweist, die 1 µm bis 5 µm beträgt
und die durch die Aluminiumoxidschicht (7a) hindurch di­ rekt mit der Kathodenschicht (7) in elektrischem Kontakt steht,
daß der Kathodengleitkompensator (10) auf seiner der Ka­ thodenschicht (7) abgewandten Seite eine zweite Oberflä­ che (10a) mit einer Oberflächenrauhigkeit von höchstens 0,5 µm aufweist
und daß der Kathodengleitkompensator (10) aus einem Ma­ terial besteht, das aus Molybdän, Wolfram, einer Eisen-Kobalt-Nickellegierung und/oder Tantal gewählt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einsatzplatte (13) zwischen dem Halbleiterbauele­ ment (9) und dem Anodenleiter (14) vorgesehen ist, die gegebenenfalls aus Silber besteht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (9) ein Thyristor oder eine Diode ist.