CH630490A5

CH630490A5 - Gehaeuse fuer ein halbleiter-hochleistungsbauelement.

Info

Publication number: CH630490A5
Application number: CH714678A
Authority: CH
Inventors: Patrick De Bruyne; Andre Dr Jaecklin
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1982-06-15
Also published as: US4426659A; JPS6410938B2; GB2024514B; JPS559498A; FR2430095A1; FR2430095B1; GB2024514A; DE2831153A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Halbleiter-Hochleistungsbauelement, bestehend aus einem das Gehäuse seitlich begrenzenden Isolator, mindestens zwei mehrteiligen Kontaktstücken, zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet wird und Verbindungsstücken, die die jeweils aussenliegenden Kontaktstücke mit dem Isolator verbinden.

Ein derartiges Gehäuse ist beispielsweise aus der DE-OS 2 625 348 bekannt. Es zeichnet sich durch seine hohe Explosionsfestigkeit aus. Während nämlich bei den üblichen im Handel erhältlichen Press-Pack-Normgehäusen nur Kurzschlussströme in Rückwärtsrichtung zulässig sind, die zu einem Grenzlastintegral, Ii2dt ^ 1,5 - 106A2s führen, lassen sich mit der in der deutschen Offenlegungsschrift offenbarten Erfindung noch Werte des Grenzlastintergrals von 5 bis 10 • 106A2s erreichen. Dieses wird bei dem bekannten Gehäuse im wesentlichen durch zwei Massnahmen erreicht:

Zum einen sind seitlich an die Kontaktstücke angrenzende Kupferringe vorgesehen, die verhindern, dass sich ein über einem schadhaften Halbleiter unter Umständen ausbildender

Lichtbogen unter Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes aufweitet und zur Durchschweissung der Verbindungsstücke führt. Zum anderen sind bei dem bekannten Gehäuse die Verbindungsstücke mit einer thermischen und elektrisch isolieren-5 den Beschichtung versehen, um sie vor den heissen Lichtbogengasen zu schützen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen Explosionsfestigkeit grösser 10 ist als diejenige bekannter Halbleitergehäuse. Vorzugsweise sollen noch Grenzlastintegrale mit Werten ^107A2s zulässig sein. Derartige Gehäuse sollen sich überdies durch einen einfachen und zweckmässigen Aufbau auszeichnen und in wirtschaftlicher Weise herzustellen sein.

's Diese Aufgabe wird bei einem Gehäuse der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Die totale Energieaufnahme, welche sich aus spezifischer Erwärmungsund Schmelzenergie zusammensetzt, beträgt dabei für Kupfer 20 20 Mega Joule/cm3 bei 400 °K.

Die vorliegende Anmeldung geht zum einen von der Erkenntnis aus, dass zur Erreichung grosser Werte des Grenzlastintegrals die vom Material am Fusspunkt des Lichtbogens aufgenommene Energie vor Erreichen des geschmolzenen 25 bzw. gasförmigen Zustandes besonders wichtig ist. Denn das einmal geschmolzene bzw. verdampfte Material wird durch die Einwirkung der statischen und dynamischen Kräfte weggeschleudert und kann im Extremfall zur Auslösung der unerwünschten Explosion führen. Da Wolfram aber auch Molybdän 3o wesentlich höhere spezifische Energien vor Erreichen des geschmolzenen Zustandes aufnehmen können als Kupfer (vgl. C. Y. Smithells, «Metals Reference Book, 5th ed., Butterworths 1976), eignen sich auch die beiden erstgenannten Metalle besser als Füsspunktmetalle als letzteres, und zwar Wolfram bes-35 ser als Molybdän.

Zum anderen ist zu berücksichtigen, dass bei genügend grossen Grenzlastintegralen die Entstehung von geschmolzenen und gasförmigen Produkten (z.B. von Si, W, Mo, Cu, Ag usw.) unvermeidlich ist. Das geschmolzene Material tropft ent-40 weder durch die Schwerkraft herunter und/oder wird durch das Lichtbogenplasma an andere Stellen im Gehäuse geschleudert. Besonders gefährdet sind die dünnen metallischen Verbindungsstücke zum Isolator. Diese Verbindungsstücke weisen in der Regel einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf (häufig 45 handelt es sich um Legierungen aus Ni, Co, Fe und eventuell Mn oder Cu). Ein Durchschmelzen dieser Verbindungsstücke durch die entstandenen geschmolzenen gasförmigen Produkte wird durch die Schutzringe oder eine entsprechende Schutzschicht verhindert.

so Der Schutzring bzw. die Schutzschicht sollen einerseits ein relativ geringes Volumen haben, damit das Gasvolumen ein wirksames Reservoir für den Überdruck darstellt. Andererseits soll das jeweils verwendete Material keine Gase abgeben. Bevorzugte Materialien sind Hochtemperaturwerkstoffe wie 55 Glas-, Quarz- oder Siliziumfasern (Gewebe oder Pressform), Asbest, Keramik (vorgeformt oder als härtbare Masse) usw.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, anhand von Zeichnungen erläuterten Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele.

60 Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gehäuse für Halbleiter-Hoch-leistungsbauelemente nach der Erfindung, wobei das anoden-seitige Kontaktstück an das Halbleiterbauelement anlegiert ist und

65 Fig. 2 ein entsprechendes Gehäuse, bei dem eine Druckkon-taktierung des Halbleiterbauelementes erfolgt.

In Fig. 1 ist zwischen den beiden aus Kupferscheiben 1,1' und Zwischenscheiben la, la' bestehenden Kontaktstücken ein

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Halbleiter-Hochleistungsbauelement (Diode, Thyristor usw.) 2 angeordnet, dessen Randzone beispielsweise mit einer mehrschichtigen Kunststoffschicht 6 passiviert ist. Die Zwischenscheiben la, la' bestehen vorzugsweise aus Wolfram oder aus Molybdän. s

Die Kontaktstücke 1,1', la, la' und das Halbleiterbauelement 2 werden von einem Keramikisolator 3 umgeben, der über flexible Verbindungsstücke 4,4' mit den Kupferscheiben 1,1' verbunden ist. Die Verbindungsstücke 4,4' bestehen üblicherweise aus Metallblech, bei preisgünstigen Gehäuseva- io rianten auch aus Kunststoff.

Die Zwischenscheiben la, la' sind so ausgebildet, dass sie als Fusspunkt für den sich unter Umständen über dem Halbleiterbauelement ausbildenden Lichtbogen dienen. Um zu verhindern, dass der am Halbleiter angelegte Druck inhomogen is wird, ist zwischen den Kupferscheiben 1,1' jeweils ein Spalt 5, 5' vorgesehen.

Besonders vorteilhaft wird die Konstruktion, wenn die obere und untere Zwischenscheiben la, la' denselben Durchmesser haben. Deren Dicke am äusseren Rand sollte bei beiden 20 Scheiben etwa gleich sein. Vorzugsweise ist die kathodensei-tige Scheibe etwas dicker, weil dort etwas mehr Energie freigesetzt wird. Fertigungstechnisch kann es vorteilhaft sein, das Halbleiterbauelement auf eine erste dünne Zwischenscheibe, beispielsweise aus Molybdän, aufzulegieren und dann zur Erhö- 25 hung des Explosionsintegrals zwischen dieser Molybdänscheibe und der jeweiligen Kupferscheibe 1,1' eine zweite aus Wolfram oder Molybdän bestehende Zwischenscheibe la, la' anzuordnen.

Der äussere Durchmesser der Kupferscheiben 1,1 ' soll 30 etwa gleich sein wie derjenige der Zwischenscheiben 1 a, 1 a', um bei einem allfälligen Durchschmelzen dieser Scheiben den Lichbogen-Fusspunkt aufnehmen zu können. Bei ausreichender Dicke der Zwischenscheiben genügt auch ein geringerer Durchmesser der Kupferscheiben 1,1' (gestrichelte Linie in 35 Fig. 1).

Um ein Durchschmelzen der Verbindungsstücke 4,4' durch die entstandenen Schmelzprodukte zu verhindern, sind Schutzringe 7,7' vorgesehen, die beispielsweise aus Glas-, Quarz- oder Siliziumfasern, aber auch aus temperaturfestem Kunststoff, Asbest oder Keramik bestehen können.

Zusätzlich zu den Schutzringen 7,7' sind die Innenwände sowohl der Verbindungsstücke 4,4' als auch des Isolators 3 gegen den durch Schmelzspritzer und/oder heisse Gase erzeugten Temperaturschock durch eine Schutzschicht 8,8', 8" zu schützen (vgl. DE-OS 2 652 348). Eine solche Schutzschicht sollte vorzugsweise stoffschlüssig aufgebracht werden. Falls der Schutzring 7,7' nicht gasdichte Fugen aufweist, wäre diese Schutzschicht auch jenseits des Ringes vorzusehen. Für diese Schutzschicht 8,8', 8" genügt insbesondere an den metallischen Verbindungsstücken 4,4' ein relativ dünner Belag (einige 100 p.m), weil dort nur sehr kleine Teilchen auftreten. Auch dieser Belag besteht vorzugsweise aus einem anorganischen Hochtemperaturwerkstoff, der durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit eine rasche Erwärmung der zu schützenden Teile verhindert. Da sich jedoch eine Kunststoffschicht viel leichter aufbringen lässt, ist es fertigungstechnisch von Vorteil, unter Inkaufnahme einer geringen Gasbildung Kunststoffschichten als Schutzschicht 8,8', 8" zu verwenden (z. B. Kaptonfolie, Siliconkautschukfolie, Lack auf Siliconkautschuk-Basis usw.).

Unter Umständen können eine oder mehrere Schichten einer solchen hochtemperaturfesten Folie auch den Schutzring 4,4' ersetzen. Die entstehende Gasschicht bewirkt überdies eine lokal sehr wirksame Wärmeisolierung.

In Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind in Fig. 2 zwischen dem Halbleiterbauelement 2 und den Kontaktstücken la, la' zwei Silberfolien 9,9' vorgesehen. Die Fusspunktflächen 10,10', die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte dienen, sind, wie in der DE-OS 2 652 348 beschrieben, vorgezogen. Der in Fig. 1 vorgesehene Schutzring 4,4' ist ersetzt durch mehrere Schichten 11, 11 ' hochtemperaturfester Klebefolie.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Gehäuse für ein Halbleiter-Hochleistungsbauelement, bestehend aus einem das Gehäuse seitlich begrenzenden Isolator, mindestens zwei mehrteiligen Kontaktstücken, zwischen denen das Halbleiterbauelement anzuordnen ist und Verbindungsstücken, die die jeweils aussenliegenden Kontaktstücke mit dem Isolator verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile ( 1 a, 1 a' ), die bei Bildung eines Lichtbogens zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, aus einem Material bestehen, dessen gesamte spezifische Energieaufnahme einen Wert aufweist, der grösser ist als derjenige von Kupfer, und dass die Innenwände der Verbindungsstücke (4,4') zum Schutz gegen freiwerdende Schmelzprodukte zusätzlich jeweils durch einen Schutzring (7,7') und/oder durch eine Schutzschicht (8,8') gesichert sind.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile ( 1 a, 1 a' ), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, aus Molybdän oder aus Wolfram bestehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei denjenigen Teilen (1 a, 1 a'), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte vorgesehen sind, um die dem jeweiligen Halbleiterbauelement (2) nächsten Kontaktstücke handelt.

4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktteile (1 a, 1 a' ), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte dienen und jeweils weiter aussenliegenden Kontaktteile (1, 1 ') an ihren Rändern nicht berühren, so dass dort jeweils ein Spalt (5,5') mit einer Breite 10 |j,m entsteht.

5. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle ( 1 a, 1 a' ), die zur Aufnahme der Lichtbogenfusspunkte dienen, einen grösseren Durchmesser aufweisen, als die an diese Kontaktteile (la, la') angrenzenden Kontaktteile (1,1 ') und dass die ersteren Kontaktteile (la, la') von der Innenwand des Isolators (3) nur durch schmale Spalte getrennt sind, deren Abstand so bemessen ist, dass keine Schleifenbildung des Lichtbogens in die Spalte hinein erfolgt.

6. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzring (7,7 ' ) entweder aus Glas-, Quarz- oder Siliziumfasern, aus temperaturfestem Kunststoff, Asbest oder aus Keramik bestehend.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Innenwand des Isolators (3) mit einer Schutzschicht (8" ) aus einem Hochtemperaturwerkstoff versehen ist.