DE2109116B2 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

4. Halbleiteranordnung nach einem der An- 35 dete Wand so gegen das Halbleitersystem gepreßt sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hält, daß dadurch ein wirksamer elektrischer und Halbleitersystem keine Stützplatten hat. thermischer Kontakt zwischen der beweglichen oder

5. Halbleiteranordnung nach einem der An- membranartig ausgebildeten Wand und dem Halbsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der leitersystem hergestellt ist.

Druck im Kühlmittel 10 bis 500 kg/cm² beträgt. 40 Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist

6. Halbleiteranordnung nach einem der An- die Halbleiteranordnung dadurch gekennzeichnet, sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das daß ein zweiter Behälter mit Kühlmittel, der eine der Kühlmittel kontinuierlich durch den Behälter ge- anderen Seite des Halbleitersystems zugewandte und leitet wird. in Richtung auf dieses bewegliche oder membranar-

7. Halbleiteranordnung nach einem der An- 45 tig ausgebildete, als Abnahmeelektrode dienende sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wand hat, vorhanden ist, und daß das Kühlmittel in Kühlmittel Wasser oder Öl ist. dem zweiten Behälter dessen bewegliche oder mem-

8. Halbleiteranordnung nach einem der An- branartig ausgebildete Wand gegen die andere Seite sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das des Halbleitersystems gepreßt hält.

Kühlmittel Luft ist. 50 Durch die von dem Kühlmittel auf die bewegliche

oder membranartig ausgebildete Wand ausgeübte Kraft wird eine gute und gleichmäßige Anlage, die von Wärmedehnungen nicht beeinflußt wird, an das

Halbleitersystem erzielt. Man erhält somit eine gute

55 Wärmeableitung und eine gleichmäßige Verteilung der Anpreßkraft gegen das Halbleitersystem.

Die bewegliehe Wand besteht aus einem metalli-

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, sehen Material mit guter elektrischer und thermiz. B. ein Transistor, ein Thyristor oder eine Kristall- scher Leitfähigkeit wie z. B. Kupfer, Silber, Gold, diode, bestehend aus einem Halbleitersystem in 60 Aluminium, Messing, Nickel, Molybdän oder Legie-Scheibenform, das eine Halbleiterscheibe enthält und rangen mit einem oder mehreren dieser Metalle. Be- mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel ge- sonders vorteilhaft sind Kupfer, Silber und Alumikühlt wird, wobei das Kühlmittel in einem Behälter, nium sowie Legierungen aus diesen Grundstoffen, der eine einer Seite des Halbleitersystems züge- wie z.B. Zirkonium-Kupfer (ZR 0,10-0,30%, Cu wandte und in Richtung auf dieses bewegliche oder 65 rest,), Chrom-Kupfer (Cr 0,2-1 %, Cu rest.), SiI-membranartig ausgebildete als Abnahmediode die- ber-Kupfer (Ag 0,08%, Cu rest.), Silumin (12% Si, nende Wand hat. 88% Al) und Duralumin (0,5% Mn, 0,5% Mg,

Eine solche Halbleiteranordnung ist bekannt aus 4% Cu und 95% AI).

fr

Die bewegliche Wand kann dadurch beweglich sein, daß die übrigen Wände des Behälters beweglich oder dehnbar shad. Diese können z.B. balgförmig und in Richtung auf das Halbleitersystem dehnbar sein. Die dem Halbleltersystern zugewandte beweg- δ Hebe Wand braucht dabei nicht besonders dünn zu sein. Sie kann z. B. eine Dicke bis zu 5 rom haben. Es ist jedoch ein Vorteil, wenn sie dünn ist, vorzugsweise 0,05 bis 1 nun, und nachgiebig, da sie sich dann besser der Oberfläche des Halbleitersystems to anpassen kann.

Die bewegliche Wand kann auch aHein beweglich sein, während die übrigen Wände des Behälters starr sind. In diesem Fall besteht die bewegliche Wand aus einer dünnen Membrane, die gegenüber dem Halbleitersystem nachgiebig ist und sich dessen Oberfläche anpassen kann. Die Dicke der beweglichen Wand ist hier zweckmäßigerweise 0,05 bis 2 ram, vorzugsweise 0,05 bis 1 mm.

Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit, z. B. Wasser oder öl, sein oder ein Gas, z. B. Luft. Der Druck des Kühlmittels ist zweckmäßigerweise 10 b's 500 kp/cm² und vorzugsweise 50 bis 500 kp/cm². Das Kühlmittel wird vorzugsweise kontinuierlich durch den Behälter geleitet, kann aber auch nichtkontinuierlich zu- und abgeleitet werden.

Außer der Halbleiterscheibe aus beispielsweise Silicium oder Germanium kann das Halbleitersystem zumindestens eine auf einer Seite der Halbleiterscheibe angeordnete Stützplatte aus Molybdän, Wolfram oder anderem Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheibe enthalten. Das Halbleitersystem kann jedoch außer der Halbleiterscheibe aus nur auf einer oder beiden Seiten der Halbleiterscheibe angeordneten dünnen Metallschicht bestehen, die z. B. durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung oder elektrolytisch aufgetragen sind. Die Metallschichten können in Verbindung mit der Dotierung der Halbleiterscheibe gebildet werden oder in einem separaten Prozeß danach. Die Schichten können beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Blei, Indium und Legierungen mit einer dieser Metalle bestehen. Das Halbleitersystem kann auch nur aus der Halbleiterscheibe bestehen, wobei es zweckmäßig ist, eine Halbleiterscheibe mit hoch dotierter Oberfläche zu wählen.

Die Halbleiteranordnupg gemäß der Erfindung kann entweder nur von einer Seite oder von beiden Seiten gekühl* werden.

Die bewegliche Wand kann direkt am Halbleitersystem anliegen, ohne daß Teile eines Gehäuses für das übliche hermetisch dichte Einschließen des Halbleitersystems dazwischenliegen. Dadurch erhält man einen besonders guten elektrischen und thermischen Kontakt zwischen dem Halbleitersystem und der beweglichen Wand.

Auf Grund der gleichmäßigen Belastung, die gemäß der Erfindung auf das Halbleitersystem ausgeübt wird, ist die erfindungsgemäße Anordnung für Halbleitersysteme ohne Stützplatte gut geeignet. Indem man die Verwendung einer Stützplatte zwischen der Halbleiterscheibe und der beweglichen Wand vermeidet, erhält man einen besonders guten Kontakt zwischen der Halbleiterscheibe und der beweglichen Wand. Das Halbleitersystem besteht in diesem Fall nur aus der Halbleiterscheibe mit der auf der Oberfläche angeordneten dünnen Metallschicht, die durch Einlegieren von Dotierungsmetallen, z.B. Gold-Antimortlegierung und Aluminium, oder durch Eindiffusion von DoÖerungsraetallen, z.B. Arsen und Gallium, gebildet wird.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand einer Zeichnung näher beschrieben.
In dieser zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine einseitig gekühlte Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 schematiscb einen Zirkulationskreis für das Kühlmittel zu einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 und 4 im Querschnitt doppelseitig gekühlte Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung.

In der Halbleiteranordnung gemäß F i g. 1 ist eine runde Süiciumscheibe 10, Typ PNN⁺, auf der Unterseite mit einer nicht gezeigten Aluminiumschicht an einer Stützplatte 11 aus Molybdän oder einem anderen Material mit ungefähr demselben Wärmeausdehnungskoeffizient wie Silicium festgelötet und auf der Oberseite mit einem legiertui Gold-Antimon-Kontakt in Form einer Schicht 12 vetoehen. Das aus den Elementen 10, 11 und 12 bestehende Halbleitersystem ist hermetisch dicht in einem Gehäuse eingeschlossen, das eine Grundplatte 3 z. B. aus Kupfer hat, die auch als Anschlußkörper dient, einen haubenartigen Teil in Form von zwei Ringen 14 und 15 aus Metall, z. B. Kupfer oder Eisen-Nickel-Legierung, einen Ring 16 aus Isoliermaterial, z. B. Porzellan, und einen Deckel 17 aus Metall, z. B. Kupfer oder Stahl. Am Deckel 17 ist ein becherförmiger Teil 18 befestigt, der mit einem Balg 19 z. B. aus Kupfer oder rostfreiem Stahl versehen ist. so daß dessen Boden 20 in vertikaler Richtung beweglich ist und gegen das Halbleitersystem gedrückt werden kann. Der Deckel 17 und der becherförmige Teil 18 bilden zusammen einen Raum 21, der von dem von den Teilen 13. 14, 16 und 18 begrenzten Raum 22 abgeschlossen ist. Der Boden 20. d. h. die zum Halbleitersystem bewegliche Wand, hat eine Dicke von 1,5 mm. Der becherförmige Teil, der auch als Anschlußkörper dient, hat eine Wanddicke von 0,5 mm. Der Raum 21 hat eine Öffnung 23 zv.m Zulaufen und eine Öffnung 24 zum Ablaufen einer Flüssigkeit, z. B. Öl oder Wasser, die durch den Raum 21 zirkuliert, um die Halbleiterscheibe 10 zu kühlen und den Boden 20 gegen das Halbieitersystem zu pressen. Der Druck der Flüssigkeit in dem Behälter ist 150 kp/cm². Die Flüssigkeit wird über das Rohr 25 in den Raum 21 gegen den zentralen Teil des Bodens gelei'.et. Die verschiedenen Teile der Halbleiteranordnung sind auf übliche Art durch Löten. Schweißen oder Kaltpressen aneinander befestigt. Das Halbleitersystem 10, 11, 12 ist nicht durch Löten od. dgl. auf der Grundplatte 13 oder dem Boden 20 fixiert, sondern hat nur dadurch mit diesen Körpern Kontakt, daß der Boden von dem Kühlmittel gegen das Halbleitersystem gedruckt wird. Der Strom ist an den Teilen 13 und 17 angeschlossen.

Zu dem Zirkulationskreis der Flüssigkeit außerhalb der Halbleiteranordnung gehört, wie aus F i g. 2 hervorgeht, eine Zirkulationspumpe 26, z.B. eine Flügelpumpe oder eine Zahnradpumpe und ein Wärmeaustauscher 27 zur Kühlung der Flüssigkeit. Zur Aufrechterhalten des Druckes ist in einem besonderen Umlauf eine Pumpe 28 eingeschaltet, z. B. eine Schneckenpumpe, eine Kolbenpumpe, eine Flügelpumpe oder eine Zahnradpumpe. Außerdem hat der

genannte Umlauf einen Flüssigkeitsvorrat 29 zum Schlußleiter aus Kupfer angeschlossen werden, die Ausgleich etwaiger aus dem System austretender mit den Membranen 36 und 37 verbunden sind.
Flüssigkeit, der am Zirkulationskreis angeschlossen In dem Halbleitersystem gemäß F i g. 4 besteht die ist. Der Pumpe 28 ist zum Regeln des Druckes in Halbleiterscheibe aus einer Siliciumscheibe 50, Typ dem System ein Überlaufventil 30 parallel geschaltet. 5 PNPN. Sie hat auf der einen Seite einen einlegierten Fig. 2 zeigt von der Halbleiteranordnung gemäß Aluminiumkontakt in Form einer dünnen Schicht 51 F i g. 1 nur den Behälter für das Kühlmittel, d. h. die und auf der anderen Seite einen einlegierten Gold-Teile 17 und 18, mit dem von diesen eingeschlosse- Antimon-Kontakt in Form einer dünnen Schicht 52. ncn Raum 21. Die übrigen Teile der Halbleiteran- Die Behälter 34 und 35 mit den Böden 36 und 37 in Ordnung gemäß Fig. 1 sind in Fig. 2 nicht gezeigt. io Form von Membranen und mit den öffnungen 38 In der Anordnung gemäß F i g. 3 ist das Halb- und 39 bzw. 40 und 41 sind von derselben Art wie in leitersystem von derselben Art wie in Fig. 1. Es ist Fig. 3. Die Membranen, die eine Dicke von 0,2mm hermetisch in einem Gehäuse eingeschlossen, das aus haben können, liegen in diesem Fall direkt ohne dazwei dünnen Scheiben 31 und 37, aus Metall wie z. B. zwischenliegende Stützplatte an den Kontakten 51 Kupfer oder Eisen-Nickellegierung, besteht, die an 15 und 52 der Halbleiterscheibe an. Die dünnen Memeinem Ring 33 aus Isoliermaterial, z. B. Porzellan, branen in Verbindung mit dem Flüssigkeitsdruck mit Kupfer-Silberlot angelötet sind. Auf beiden Sei- oder Gasdruck bewirken, daß die Halbleiterscheibe ten des Halbleitersystems sind zylindrische Behälter ohne Stützplatte verwendet werden kann, da das Ri-34 bzw. 35, z. B. aus Stahl, für ein Kühlmittel an- siko, das die Halbleiterscheibe infolge von ungleichgeordnet. Sie haben Böden 36 bzw. 37 in Form von 20 mäßiger Belastung zerbricht, minimal ist. Die Halbdünnen Membranen aus Kupfer, die mit Kupfer-Sil- leiterscheibi ist hermetisch dicht eingeschlossen, und berlot am Stahlbehälter angelötet sind. Die Wand- zwar dadurch, daß die Behälter mit Flanschen 53 dicke der Membranen beträgt 0,5 mm. Das Kühlmit- und 54 um den Mantelumfang herum versehen und tel, Wasser, öl oder Luft, wird über öffnungen 38 diese mit z. B. Kupfer-Silberlot am Porzellanring 55 und 39 zu- und durch öffnungen 40 und 41 abgelei- as fixiert sind. Das Kühlmittel wie Wasser oder öl kann tet. Der Druck des Kühlmittels ist 150kp/cm². Zir- auf &} in Fig. 2 gezeigte Art zirkulieren. Der Flüskulationskreise gemäß F i g. 2 können für das Kühl- sigkeitsdruck kann 150 kp/cm² sein. Flanschen und mittel angewandt werden. Die beiden Behälter wer- Bolzen aus Isoliermaterial fixieren die Behälter in den mit mehreren Bolzen 42 aus Isoliermaterial in den richtigen Lagen zueinander, wie in Fig. 3 geum den Behälter herum angeordneten Flanschen 43 30 zeigt. Die Steuerelektrode 56 des Thyristors ist durch und 44 auf richtigen Abstand voneinander gehalten. ein Loch in dem Porzellanring gezogen, wobei der Der Kontakt zwischen dem Halbleitersystem und den Spalt um die Steuerelektrode hermetisch verschlossen Membranen 36 und 37 wird nur durch den Druck wird, und an einem Anschlußleiter 57 angeschlossen, des Kühlmittels zustandegebracht. Der Strom kann Der Hauptsitrom kann wie in Verbindung mit F i g. 3 an die Behälter 34 und 35 oder an besondere An- 35 beschrieben angeschlossen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 dem DT-Gbm I 714 910. Bei dieser bekannten An- Patentansprüche: Ordnung dient die nachgiebige Ausbildung des Behäl- ters dem Zweck, bei Teraperaturschwankungen eine

1. Halbleiteranordnung, bestehend aus einem mechanische Überbeansprucbung des Halbleitersy-

Halbleitersystera in Scbeibenforra, das mit einem 5 stems zu vermeiden. Die bekannten Behälter sind je-

flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel gekühlt doch derart ausgebildet, daß die in ihnen befindliche

wird, wobei das Kühlmittel in einem Bebälter, Flüssigkeit keinen Druck auf die als Abnahmeelek-

der eine einer Seite des Halbleitersysteras züge- trode dienende Wand ausübt.

wandte und in Richtung auf dieses bewegliche Ferner ist es bei Halbleiteranordnung»^ mit ange-

oder membranartig ausgebildete, als Abnahme- xo löteten Anschlußkörpern bekannt, die Kühlung mit

S elektrode dienende Wand hat, dadurch ge- einem strömenden flüssigen Kühlmittel vorzuneh-

§ kennzeichnet, daß das Kühlmittel die be- men, das in Kontakt mit dem Anscblußkörper ge-

wegliche oder membranartig ausgebildete Wand bracht wird. Bei allen Halbleitersystemen mit einer

* (20, 36, 37) so gegen das Halbleitersystem (10, angedrückten Anschlußelektrode ist es schwierig,

11, 12) gepreßt hält, daß dadurch ein wirksamer 15 eine gleichmäßige Belastung des Halbleitersysteras zu

elektrischer und thermischer Kontakt zwischen erreichen. Eine gleichmäßige Belastung ist besonders

der beweglichen oder membranartig ausgebilde- wichtig, teils um einen guten elektrischen und ther-

ten Wand und dem Halbleitersystem hergestellt mischen Kontakt zwischen dem Ansciilüßkörper und

ist. dem Halbleitersystem an seiner ganzen Fläche zu er-

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, da- 20 halten und teils um eine gleichmäßige mechanische durch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter Belastung über die ganze Fläche des Halbleitersymit Kühlmittel, der eine der anderen Seite des stems zu erreichen. Eine ungleichmäßige Belastung Halbleitersystems zugewandte und in Richtung kann zu Rißbildung in der spröden Halbleiterscheibe auf dieses auf bewegliche oder membranartig führen.

ausgebildete, als Abnahmeelektrode dienende 25 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Wand hat, vorhanden ist, und daß das Kühlmittel eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten in dem zweiten Behälter dessen bewegliche oder Art derart auszubilden, daß eine gute Ableitung der membranartig ausgebildete Wand gegen die an- Verlustleistung des Halbleitersystems und gleichzeidere Seite d^ö.s Halbleitersystems gepreßt hält. tig eine gleichmäßige mechanische Belastung der

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 30 Oberfläche des Halbleitersystems erreicht wird,
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beweg- Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Halbleiterliche oder membranart'g ausgebildete Wand bzw. anordnung der eingangs erwähnten Art vorgeschla-Wände (20, 36, 37) direkt am Halbleitersystem gen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kühl-(10,11,12) anliegen. mittel die bewegliche oder membranartig ausgebil-