Elektrische Halbleitervorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Halb leitervorrichtungen, insbesondere für Hochleistungs- gleichrichtungszwecke, mit halbleitenden Körpern aus Silizium, Germanium oder intermetallischen Verbin dungen. Zu dieser Gruppe von Gleichrichtern gehören beispielsweise die sogenannten Diffusionsgleichrichter, bei denen die Anwendung der Erfindung besondere Vorteile bringt.
Die Herstellung von Diffusionsgleichrichtern er folgt z. B. in bekannter Weise aus plattenförmigem Halbleitermaterial, das zunächst zur Erzeugung des gewünschten p-n-Überganges einem Diffusionsprozess unterworfen, dann mit einer Nickelauflage versehen und in kleine quadratische Plättchen vorgegebener Grösse zersägt wird, an welche die elektrischen Zu leitungen angelötet werden.
Als geeignetes Material für die Anschlüsse wird Kupfer verwendet und zum Verlöten dienen vorgeformte Plättchen der üblichen Blei-Zinn- bzw. Blei-Silberlegierung mit Zinkam- moniumchloridlösung als Flussmittel. Der kontaktierte Gleichrichter wird häufig noch einem Ätzverfahren ausgesetzt und dann in ein Gehäuse eingebaut, um mechanische Beschädigungen und atmosphärische Einwirkungen zu verhüten.
Bei der Herstellung und beim Betrieb solcher Hochleistungsgleichrichter entstehen nun eine Reihe von Schwierigkeiten, die unter anderem dadurch ver ursacht werden, dass man wegen der hohen Ströme dicke Anschlussleitungen verwenden muss, die bei spielsweise in der bekannten Form von Stäben, Bol zen oder dicken Drähten ausgeführt sein können. Diesen Anschlüssen haftet der Nachteil an, dass sie beim Betrieb der Gleichrichtervorrichtung mecha nische Spannungen am Gleichrichterplättchen erzeu gen, die z. B. durch Ausdehnung der Anschlussleitun- gen infolge Erwärmung des Gleichrichters entstehen.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles hat man versucht, die Anschlussleitungen elastisch auszuführen, z. B. mit einer kleinen Wendel zu versehen oder in S-Form auszubilden. Beim Anlöten solcher Anschlussleitungen ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, dass das Lot durch Kapillarwirkung in den Leitungen hochsteigen und die Elastizität wesentlich beeinträchtigen kann. Weitere Schwierigkeiten entstehen bei der Her stellung solcher Diffusionsgleichrichter, die nach dem Kontaktieren einem Ätzverfahren unterzogen werden.
Beim Atzen des bereits kontaktierten Gleichrichters darf das Anschlussmaterial von der Ätzflüssigkeit nicht angegriffen werden. Diese Aufgabe hat man beispielsweise dadurch zu lösen versucht, dass man die Anschlussleitung mit einem besonderen metal lischen Überzug versieht. Es hat sich aber gezeigt, dass die bekannten Schutzauflagen beim Anlöten der An schlüsse infolge der hohen Löttemperatur zum Teil unwirksam werden, z. B. durch teilweise Diffusion des Überzugs in das Grundmaterial.
Die Verwendung der bekannten Anschlussleitun- gen bringt noch einen weiteren Nachteil mit sich, der darin besteht, dass nur ein Teil der Nickelauflage auf dem Halbleiterplättchen von den Anschlüssen be deckt wird. Auf diese Weise werden beim nachträg lichen Atzen des kontaktierten Gleichrichters die nichtbedeckten Teile der Nickelschicht abgelöst und der für die Stromführung nutzbare Querschnitt ver- kleinert, wodurch sich die Durchlasskennlinie wesent lich verschlechtert. Die Erfindung bezweckt unter anderem, diese Nachteile zu vermeiden.
Die erfindungsgemässe elek trische Halbleitervorrichtung, die insbesondere für Gleichrichtungszwecke bei hohen Leistungen dient und einen halbleitenden Körper aus Silizium, Ger manium oder einer intermetallischen Verbindung auf weist, ist dadurch gekennzeichnet,. dass mindestens eine Anschlussleitung aus einer flexiblen Litze besteht, die an wenigstens einem Ende in einen massiven ver breiterten Teil übergeht, welcher eine zur Längsachse der Litze quer liegende Anschlussfläche aufweist,
über welche er mit einer entsprechenden Fläche des Halb leiterkörpers kontaktiert ist.
Eine derartige Ausführungsform einer Anschluss- leitung erfüllt die Forderung, die Entstehung mecha nischer Spannungen am Halbleiterkörper während des Betriebs zu verhindern; denn die Flexibilität der Anschlussleitung bleibt auch nach dem Anlöten er halten, da keine Kapillarwirkung wegen des massiv verbreiterten Teils eintreten kann, die das Lot in der Litze hochsteigen liesse und dadurch zu einer Ver steifung führen könnte. Ausserdem lässt sich eine einwandfreie und sichere Kontaktierung des halblei tenden Körpers durch Anwendung einer breiten und ebenen Anschlussfläche der Zuleitung ermöglichen.
Aus dem gleichen Grunde erhält man auch eine gute Wärmeabführung vom Halbleiterkörper, so dass auf diese Weise eine Halbleitervorrichtung entsteht, die im Betrieb, insbesondere auch bei hohen Leistungen weitgehend sicher arbeitet.
Im folgenden wird die Erfindung zur besseren Verständlichkeit an Hand einiger Ausführungsbei spiele erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen in Seitenansicht die ein zelnen Herstellungsschritte für ein Anschlussorgan, und zwar handelt es sich hierbei um die Herstellung der Verbreiterung an seinem Ende. Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine nach diesem Verfahren gefertigte Anschlussleitung, die für die angegebenen Zwecke metallisch überzogen ist. In der Fig. 5 werden teil weise in Seitenansicht, teilweise in Draufsicht weitere Ausführungsformen einer Anschlussleitung nach der Erfindung gezeigt.
Die Fig. 6 zeigt im Querschnitt schematisch einen mit Anschlüssen'versahenen Gleich richter vom P-N-Typ und in Fig. 7 ist eine betriebs fertige Gleichrichtervorrichtung dargestellt.
In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet 1 die Anschluss- leitung, die aus einer elektrisch gut leitenden flexiblen Litze, z. B. aus einer Kupferlitze, besteht. Diese Litze wird am einen Ende zu einer Verbreiterung mit den gewünschten Eigenschaften verformt. Zu diesem Zwecke wird nach Fig. 1 die Litze 1 in eine Lehre 2 eingespannt, und zwar derart, dass wenigstens das eine Ende etwas herausragt, welches dann beispielsweise mittels eines Schweissbrenners oder im Stumpf schweissverfahren zu einer Verbreiterung verschmol zen und/oder zu einer gewünschten Form gepresst oder gequetscht wird. Zur besseren Kontaktierung auf dem Halbleiterkörper wird noch das verbreiterte Ende der Litze eben abgeschliffen.
Eine spezielle Ausführungsform besteht darin, dass das überstehende Ende der Litze zu einer Perle verschmolzen, flachgequetscht und dann geglättet wird. Diese Herstellungsmethode ist besonders ein fach und billig, und es werden nur wenige technische Hilfsmittel benötigt. Diese Ausführungsform ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Der herausstehende Teil la der Fig. 1, wird z. B. mittels eines Schweissbrenners zu einer Perle 1 b verschmolzen, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Die Perle wird zur besseren Kontaktierung auf dem Halbleitkörper zu einer Verbreiterung 1c flach gequetscht und die verbreiterte Endfläche 1d eben abgeschliffen. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Ein sol ches Anschlussorgan kann nun unmittelbar am Halb leiterkörper festgelötet werden.
Es sind noch andere Herstellungsmethoden an wendbar, die alle darin übereinstimmen, dass in möglichst wenigen Arbeitsgängen die Anschlussorgane gefertigt werden können. Die Anschlussleitungen können nun unmittelbar am Halbleiterkörper ange lötet werden nach den üblichen Verfahren. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, sie vor dem Anbringen auf den halbleitenden Körper noch mit elektrisch gut leitenden Überzügen zu versehen. Eine solche Mass nahme kann beispielsweise von Wichtigkeit sein zur Herstellung einer guten Kontaktierung des halblei tenden Körpers.
Vorzugsweise ist sie aber von Be deutung bei Halbleitervorrichtungen, die nach dem Kontaktieren noch einem Ätzverfahren unterworfen werden, wobei die Anschlussleitung vor chemischen Angriffen geschützt werden soll.
Zu diesem Zweck erhält daher mindestens der verbreiterte Teil der Anschlussleitung einen oder mehrere elektrisch gut leitende Überzüge, und zwar muss der äusserste Überzug so beschaffen sein, dass er sich beim Ätzen der Halbleitervorrichtung nicht in der verwendeten Ätzflüssigkeit löst. Zu diesem Zweck kann der äusserste Überzug aus einem geeig neten Edelmetall bestehen. Wird beispielsweise als Material für die Anschlussleitung Kupferlitze ver wendet, so besteht dieser Überzug zweckmässig aus Gold. Beim Ätzen der kontaktierten Halbleiter, z. B. in einer Mischung von Fluss- und Salpetersäure schützt dieser Goldüberzug die Kupferlitze vor che mischen Angriffen.
Es hat sich aber ergeben, dass der Goldschutz der Kupferlitze weitgehend zuverlässiger und wirksamer wird, wenn die Kupferlitze vor ihrer Vergoldung eine Silber- oder Nickelauflage erhält. Dieser Massnahme liegt folgende Erkenntnis zu Grunde: Beim Kon taktieren des Halbleiterkörpers, beispielsweise mit Blei-Zinn- bzw. Blei-Silberlot, wird die Anordnung auf etwa 350 C erhitzt. Bei dieser Temperatur diffun diert ein beträchtlicher Teil der Goldauflage in das Kupfermaterial hinein. Für das anschliessende Ätzen der Halbleitervorrichtung ist daher der Goldschutz auf der Kupferlitze teilweise unwirksam. Es gehen Kupferionen in Lösung und setzen sich als Kupfer atome auf dem Halbleiter ab.
Dadurch kann bei spielsweise bei Gleichrichtern die P-N-Schicht des Halbleiters kurzgeschlossen werden. Durch die Zwi- schenvernicklung oder -versilberung wird die Diffusion der Goldauflage in das Kupfermaterial wesentlich herabgesetzt. Es ist zu diesem Zweck erforderlich, die Silber- bzw. Nickel- und Goldauflage genügend dick herzustellen. Von besonderem Vorteil ist es, vor der Vergoldung zwei oder mehrere Schichten aus Silber und Nickel in wechselnder Reihenfolge aufzu bringen, so dass auf diese Weise die Schutzauflage aus Gold beim nachträglichen Ätzen voll wirksam ist.
Es können auch andere Materialien für die einzelnen überzüge verwendet werden, falls sie bei Löttempe- ratur die Bedingungen erfüllen, sich weder mit dem Anschlussmaterial noch miteinander zu legieren und weder in das Anschlussmaterial noch ineinander merklich zu diffundieren.
Zur besseren Kontaktierung erhält noch die mit dem Halbleiterkörper durch Lot verbundene Fläche am verbreiterten Ende der Anschlussleitung einen elektrisch gut leitenden überzug aus einem als Lot dienenden Material. Bei Verwendung des üblichen Lots besteht dieser überzug z. B. aus Blei. Die auf diese Weise hergestellten Anschlussorgane werden nun am Halbleiterkörper festgelötet.
Eine geeignete Ausführung der vorstehend er wähnten Art zeigt die Fig. 4. Die Kupferlitze erhält eine Silber- oder Nickelauflage 3 und wird dann mit einer Goldauflage 4 versehen. Das verbreiterte Ende erhält noch einen Bleiüberzug 5 zur Verlötung mit dem Halbleiterkörper.
Bei anderen Ausführungsformen erhält das ver breitete Ende die Form einer Pyramide oder eines Kegels, wie dies aus der Fig. 5 hervorgeht. Die Fig. 5a zeigt in Seitenansicht eine Anschlussleitung, bestehend aus einer flexiblen Litze 1, mit pyramiden- oder kegelförmig verbreitertem Teil 6. Die Fig. 5b und 5c zeigen diese Ausführungen in Draufsicht von der Anschlussleitung aus gesehen. Diese Formgebungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich die Litze dem Ende zu kontinuierlich verbreitert. Von besonderem Interesse sind solche Ausführungen bei Halbleiter vorrichtungen, die nachträglich geätzt werden.
Wird die Halbleitervorrichtung noch einem nach träglichen Ätzverfahren unterzogen, so muss zur Vermeidung der Verunreinigung des Ätzbades die Massnahme getroffen werden, den kontaktierten Halb leiterkörper beim Ätzen nur so weit in das Bad einzu setzen, dass zwar der überzogene verbreiterte Teil der Anschlussleitung, aber nicht die Litze selbst eintaucht, Selbst bei einer vollständig überzogenen Anschluss- leitung ist diese Vorsichtsmassregel zu empfehlen, da häufig die Plattierung an der übergangsstelle zwi schen verbreitertem Teil und Litze ungenügend aus fallen kann,
so dass an dieser Stelle beim Ätzen Ionen des Litzenmaterials in Lösung gehen können. Zu diesem Zweck soll in der Fig. 5a die Länge h der Verbreiterung 6 mindestens 2 mm betragen, so dass auf alle Fälle die Gefahr der Verunreinigung des Ätz- bades dadurch herabgesetzt wird. Eine Verlängerung des verbreiterten Teils über 2 mm hinaus richtet sich dann auch nach der Grösse der verbreiterten Anschlussfläche. Die Form der verbreiterten End- fläche 7 richtet sich insbesondere nach der Form gebung des Halbleiterkörpers.
Besteht dieser, wie beispielsweise bei Diffusionsgleichrichtern, aus einem quadratischen Plättchen, so wählt man zweckmä- ssigerweise ebenfalls eine quadratisch verbreiterte Endfläche, möglichst von der gleichen Grösse wie die Anschlussfläche des Halbleiterkörpers. In jedem Fall ist es von Wichtigkeit, dass die Verbreiterung m einer zur Längsachse der Litze querliegenden ebenen Fläche endet.
Bei dem Gleichrichter nach Fig. 6 sind auf einem Halbleiterblock 8 vom P-N-Typ, der an seinen An schlussseiten geeignete metallische Auflagen 9 und 10 besitzt, die litzenförmigen Anschlussleitungen 1 mit dem verbreiterten Ende 11 aufgelötet und bedecken vollständig die Anschlussseiten des Halbleiterkörpers, was die bereits angegebenen Vorteile bringt.
Bei der Bauart einer Gleichrichtervorrichtung für hohe Leistungen nach Fig. 7 wird eine metallische Trägerplatte 12, die zugleich als Elektrode dient, ver wendet, auf welcher der Halbleiterkörper 13 nach einem üblichen Verfahren aufgebracht ist. Der Halb leiterkörper besitzt eine Metallauflage 14, auf der die Elektrodenzuleitung 15 mit dem verbreiterten Ende 16 angelötet ist. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und atmosphärische Einflüsse ist der Halbleiter von einem Gehäuse 17 umgeben, durch welches die Elektrodenzuleitung 15 isoliert hindurch geführt ist.
Durch die Ausbildung der Elektrodenzu- leitung als flexible Litze können beim Betrieb der Gleichrichtervorrichtung keine mechanischen Span nungen am Gleichrichter infolge Erwärmung des Gleichrichters und der damit vorhandenen beträcht lichen Wärme im Gehäuse entstehen, da die An schlusslitze weder bei Ausdehnung des Gleichrichters noch bei Ausdehnung des Gehäuses sich vom Halb leiterkörper abheben bzw. auf diesen einen Druck ausüben kann.
Durch das stark verbreiterte Ende der Anschlussleitung ergibt sich ausserdem eine gute Wärmeabführung vom Gleichrichter und man erhält bei allen vorkommenden Temperaturen eine weit gehend sicher arbeitende Gleichrichtervorrichtung.
Die Ausführung der Anschlussleitung, bei welcher ihre verbreiterte Endfläche die Anschlussfläche des Halbleiterkörpers beim Kontaktieren vollständig be deckt, ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kühl wirkung, was z. B. bei Hochleistungsgleichrichtern von Wichtigkeit ist. Diese Massnahme ist aber auch wieder von besonderem Interesse bei Halbleitervor richtungen, die nachträglich geätzt werden. In vielen Fällen ist der Halbleiterkörper an seinen Anschluss seiten plattiert, unter anderem zur Vergrösserung des Stromquerschnitts. Bei der Verwendung von die Plattierung nicht vollständig bedeckenden Anschlüssen können die nichtbedeckten Teile abgeätzt werden.
Dadurch wird der für die Stromführung nutzbare Querschnitt verkleinert.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Aus führungsbeispiele beschränkt und kann mit beson deren Vorteilen auf Hochleistungsgleichrichter, z. B. die sogenannten Diffusions- und Legierungsgleich richter und auf solche mit gezogenen P-N-Schichten, angewandt werden.