CN101859735B - 电气元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气元件(30)尤其是二极管，该电气元件(30)包括半导体基片(3)、用于保持所述半导体基片(3)的连接层(4)以及减少应力的材料，该材料用于减少能够通过所述连接层(4)传递的伸展力或者压缩力对所述半导体基片(3)的影响。

Description

电气元件
技术领域
本发明涉及一种电气元件，尤其是二极管。
背景技术
在汽车发电机系统中，为了对交流电或者说三相交流电进行整流大多数使用硅二极管。为此，通常将硅二极管安装到专门的外壳中也就是所谓的压入外壳中。在公开文献DE19549202A1中说明了这样一种整流器二极管。这种整流器二极管具有管座并且能够压入到整流器装置的所设置的开口中。在所述管座上布置了台架，在该台架上通过焊接连接固定了半导体芯片，在该半导体芯片上又借助于焊接连接固定了头部导线(Kopfdraht)。由此在压入过程中可以在变形方面获得稳固性，使得作用力不会损坏半导体芯片。
发明内容
本发明基于这样的认识，即在具有半导体基片的元件比如二极管中使用减少应力的材料减少了在安装过程中以及在产生温度负荷时出现的作用到半导体基片上的伸展力或者压缩力。
通过这种方式比如可以以简单的方式将压入二极管安装到压入外壳中而不会损坏半导体基片，从而能够在外壳安装时实现无缺陷的元件的更高的产量。
按照一个方面，本发明涉及一种电气元件尤其是二极管，该电气元件具有半导体基片、用于保持或者说固定所述半导体基片的连接层以及减少应力的材料，该材料用于减少能够通过所述连接层传递的伸展力或者压缩力对所述半导体基片的影响。借助于所述减少应力的用于降低作用到半导体基片上的应力的材料，所述连接层可以以通过所述减少应力的材料来承受或者导出在压入过程中作用的力这种方式来保持所述半导体基片，从而不出现任何直接的有害的作用到所述半导体基片上的力作用。
按照一种实施方式，所述减少应力的材料的热膨胀系数小于铜或铁或特种钢或铝的热膨胀系数。由此在温度变化时以有利的方式减少作用到半导体基片上的机械应力。如果所述元件比如具有由铜或铁或特种钢或铝制成的层、比如在温度变化时根据自身的热膨胀系数膨胀或者收缩的接头，那么所述减少应力的材料由于其更小的热膨胀系数而引起热膨胀的降低并且由此降低作用到半导体基片上的伸展力或者压缩力。
按照一种实施方式，所述减少应力的材料形成了减少应力的埋入所述连接层中的层。这样做的优点是，比如如果所述减少应力的层具有比连接层小的热膨胀系数或者如果所述减少应力的层具有比连接层高的弹性，那么通过所述连接层作用到半导体基片上的(热)力就通过所述减少应力的层被减弱。
按照一种实施方式，所述半导体基片借助于连接层与尤其由铜、铁、特种钢或铝制成的管座元件相连接，其中所述连接层的热膨胀系数小于所述管座元件的热膨胀系数。由此可以以有利的方式降低比如在高温条件下使用所述元件时在所述管座元件的温度变化时产生的热力对于半导体基片的影响。所述元件的老化过程由此可以得到放慢。这样的元件比如以有利的方式适合于用在温度很高的情况下比如用在汽车发电机系统中。
按照一种实施方式，所述半导体基片借助于连接层与管座元件相连接，其中所述管座元件由减少应力的材料形成。这样做的优点是，所述管座元件已经可以承受热力并且这些力通过所述连接层仅仅以大为减弱的形式进一步传递到所述半导体基片上，使得所述半导体基片不再会受损。此外，所述管座元件也可以承受在压入过程中比如在安装构造为压入二极管的元件时产生的力。
按照一种实施方式，所述连接层或者减少应力的材料不含铅。由此所述元件在将来也可以继续使用，而不违反相应的规程，比如RoHS(用于限制特定的有害物质在电气和电子仪器中使用的规程2002/95/EG)或者WEEE(关于电气和电子旧仪器的规程2002/96/EG)。
按照一种实施方式，所述电气元件具有用于保持半导体基片的第二连接层，其中所述半导体基片被埋入所述连接层和第二连接层中。所述连接层以有利的方式保护所述半导体基片的管座侧的表面，而所述第二连接层则保护所述半导体基片的头部侧的表面。减少应力的材料可以埋入所述连接层中的一个或者两个连接层中，或者所述连接层中的一个或者两个连接层可以由减少应力的材料构成。由此可以以有利的方式防止所述半导体基片受到来自头部侧以及来自管座侧的作用力或者力分量的影响。
按照一种实施方式，所述半导体基片借助于第二连接层与尤其由铜、铁、特种钢或铝制成的头部元件相连接，其中所述第二连接层的热膨胀系数小于所述头部元件的热膨胀系数。由此所述第二连接层引起由于在头部元件上的温度变化而产生的热膨胀力的减小，因而仅仅以这种程度减少的不会导致损坏的热力作用到所述半导体基片上。
按照一种实施方式，所述减少应力的材料是复合材料或者金属层材料。在使用复合材料时，在导热能力大致保持相同的情况下降低热膨胀系数。由于热膨胀系数的降低，作用到半导体基片比如硅芯片上的应力明显地比在使用金属比如铜时的应力小。在使用金属层材料时，也可以使用不同的比如具有金属合金的金属层，从而可以通过所有的层一起降低热膨胀系数。由此又以有利的方式在温度变化时降低作用到半导体基片上的机械应力。
按照一种实施方式，所述复合材料由AlSiC或者由一种由钼与铜构成的混合物构成，该混合物优选具有20到60个重量百分点的铜含量。所述金属层材料包括金属层的结构、优选铜-因瓦合金(Invar)-铜层，其中各个金属层的厚度处于10μm到500μm的范围内。
由AlSiC构成的复合材料与半导体基片的热膨胀系数相匹配并且/或者具有比铜小的热膨胀系数。由此降低机械应力，所述机械应力会导致连接层比如用于保持半导体基片的焊料层的疲劳。此外，由此可以防止所述半导体基片的电接触的松脱。在使用由一种由钼与铜构成的混合物构成的复合材料时适用类似的情况。特别有利的是，使用由钼和20-60个重量百分点的铜(MoCu20到MoCu60)构成的混合物(复合物)。在铜含量为20wt％(重量百分点)时，膨胀系数已经降低到大约6-7ppm/K。与此相比，铜的膨胀系数大约为17ppm/K。MoCu20的导热能力以大约250W/mK仍然与具有大约390W/mK的导热能力的铜相类似。由于降低的热膨胀系数，作用于硅芯片或者说半导体基片上的应力明显比在使用铜时低。
按照一种实施方式，所述连接层或者第二连接层由NTV烧结材料构成。这样做的优点是，可以取代铅含量高的焊料而使用无铅的烧结材料。此外，烧结材料经常多气孔并且由此可以承受作用到半导体基片上的力。在由于温度波动引起的热力作用时或者比如在压入二极管的压入过程中，力作用到所述元件上，所述力对于含有烧结材料的连接层引起连接层的变形，使得半导体基片经受的力作用更小。
按照一个方面，本发明涉及一种用于制造电气元件尤其是二极管的方法，该方法具有以下方法步骤：提供半导体基片，借助于连接层保持所述半导体基片，并且借助减少应力的材料来减少能够通过所述连接层传递的伸展力或者压缩力对所述半导体基片的影响。由此也可以为用于制造电气元件的方法实现和上面所说明的一样的优点。
按照一种实施方式，所述减少应力的材料借助于NTV技术(低温连接技术)加入到所述连接层中。在温度低时，降低由于热膨胀效应引起的作用到半导体基片上的热应力，从而可以预料更少的废品。
按照一种实施方式，所述半导体基片在使用连接层的情况下与管座元件相连接，其中借助于NTV技术进行连接。在传统的方法中所述连接层是含铅的或者无铅的焊料层，相对于所述传统的方法可以借助于低温连接方法在连接时将温度保持在很低的水平上。没有必要让温度上升得如此高，使得焊料熔化，也就是说大约300℃的温度。利用NTV技术产生非常稳定的具有高的导热和导电能力的海绵状的多数由银构成的连接层。相对于常规的方法如焊接或者粘接(Bonding)，这种连接技术的优点是：在处理过程中避免液相，即使输入温度高于大约250℃也具有高的强度，连接层无缩孔，具有高的耐负荷变换强度以及高的导电及导热能力。
附图说明
在参照图1和图2的情况下对本发明的其它实施例进行解释。其中：
图1是按一种实施例的压入二极管的结构的示意图，以及
图2是按另一种实施例的压入二极管的结构的示意图。
具体实施方式
图1示出了按一种实施例的压入二极管30的结构的示意图。所述压入二极管30具有设有滚花的管座元件1或者说压入管座1，该压入管座1可以压入到这里未示出的整流器装置的相应的空隙中。该压入管座1在此同时承担整流器二极管30与整流器装置之间的持久的热连接和电连接。
所述压入管座1具有固定区域，半导体芯片3比如硅芯片3或者说半导体基片3借助于连接层4固定在所述固定区域上。在所述半导体基片3上又借助于第二连接层5固定头部元件6或者说所谓的头部导线6，所述头部导线在电方面固定地与整流器二极管30的其它组件相接触。埋入所述两个连接层4和5之间的硅芯片3或者说半导体基片3用绝缘性的合成材料7包封。比如用石英颗粒填充的环氧化物或者其它耐高温的合成材料可以用作所述合成材料7。为加入合成材料7，可以加入额外的可选的合成材料环8。此外，还可以有一个在图1中未标识的额外的软的合成材料层处于半导体芯片3与环氧化物7之间。所述连接层4和5的材料由无铅的NTV(低温连接技术)烧结材料制成并且由此不是由像通常在整流器二极管中所使用的铅含量高的焊料制成。
管座1或者说管座元件1以及头部导线6或者说头部元件6由复合材料制成并且借助于NTV技术相连接。所述两个元件1和6在其它的实施例中可以设有薄的贵金属层。特别有利的是，对于所述复合材料来说使用由钼和20-60个重量百分点的铜(MoCu20到MoCu60)构成的混合物(复合物)。本领域的技术人员熟悉其它同样可以用于制造管座元件1及头部元件6的具有类似有利的性能的复合材料如由AlSiC制成的复合物。
图2示出了按另一种实施例的压入二极管20的结构的示意图。与图1的实施例相反，所述管座元件1以及头部元件6由金属制成，在该实施例中由铜制成。在其它的实施例中，所述金属也可以是铝、银、特种钢、铁或者其它的金属。
借助于NTV连接技术在所述铜制管座1或者说管座元件1与半导体基片3之间加入了减少应力的层9。在此所述减少应力的层9一方面与半导体芯片3以及另一方面与管座元件1之间的连接通过连接层4来实现，该连接层4由此分为头部侧的部分4和管座侧的部分10。所述减少应力的层9由此埋入连接层4中(也就是说所述连接层的头部侧的部分4和管座侧的部分10中)。一种对于NTV方法来说多数有必要的银涂层或者贵金属涂层在这两张附图中没有绘出并且为一目了然起见被省略了。所述减少应力的层9拥有几乎线性的膨胀系数，该膨胀系数小于管座元件1和头部元件6的膨胀系数，也就是说在由铜制造这两个元件1、6时膨胀系数小于17ppm/K。由此在温度变化时以有利的方式减小作用于所述硅芯片3上的机械应力。
所述减少应力的(中间)层9可以由复合物如MoCu20或者说由一种由金属层构成的结构制成。比如它可以是铜-因瓦合金-铜(CIC)层，在所述铜-因瓦合金-铜(CIC)层中在两个铜层之间轧入镍铁合金(因瓦合金)。所述减少应力的中间层9的各层的厚度可以在大约10μm到500μm的范围内，优选大约为200μm。
在其它的实施例中，所述减少应力的中间层9也可以加入头部元件6与半导体芯片3之间。而后该中间层9埋入第二连接层5中，第二连接层5而后则类似于图2中的图示被分为头部侧的部分和管座侧的部分。
作为替代方案，也可以使用两个减少应力的中间层9，其中一个中间层埋入连接层4中并且另一个中间层埋入第二连接层5中。
本发明的实施例适合于比如在汽车发电机系统中在温度很高的情况下用作发电机二极管。借助于本发明的实施例可以放弃使用铅含量高的合金。通过其它类型的接合材料和其它类型的接合方案，可以提高压入二极管的工作温度，比如可以实现更高的余热损失或者在选择使用位置时实现更大的自由度。通过烧结材料的使用，可以克服在无铅的软焊料或者说备用合金上适用的大约220℃的温度障碍。由此相对于传统的由软焊料实现的连接层以有利的方式提高使用寿命。
在按本发明的实施例的低温连接技术中，传统的压入二极管的铅含量高的焊接连接被专门设置的银层所取代。对于含铅的软焊料来说焊料在接合过程中必须熔化，与所述含铅的软焊料相反，对于银层来说在温度远低于熔化温度时就已进行所述接合过程。通常接合过程在额外的机械压力下进行。有待接合的零件如头部导线6、硅芯片3和管座1为此多数设有薄的贵金属涂层。
与铅含量高的焊料相比，所述NTV层4、5具有大约高三倍的弹性模量(E-模量)。抗拉强度甚至大约高五倍。因为NTV层的热膨胀系数仅仅比铅含量高的焊料小大约20％，所以对于铜/NTV/硅芯片/NTV/铜夹层的热负荷来说应力大大高于传统的含铅的焊接连接中的应力。本发明的实施例示出了一种借助于NTV连接技术将由硅或者其它的半导体材料制成的半导体芯片3直接与铜零件1、6相连接的方案。尤其可以简单地制造压入二极管，而机械应力不会损坏硅芯片3，对于所述压入二极管来说硅芯片在两侧与其它的材料相连接。
本发明的实施例通过NTV技术建立硅半导体芯片与具有大的热质量(thermische Masse)的材料之间的两侧的持久的无铅的耐高温的大面积的连接，其中作为具有大的热质量的材料使用复合材料，该复合材料具有小于17ppm/K的热膨胀系数。
本发明的实施例通过NTV技术建立硅半导体芯片与具有大的热质量的材料之间的持久的无铅的耐高温的大面积的连接，其中硅芯片的一侧与铜相连接并且另一侧与复合材料相连接，所述复合材料具有小于17ppm/K的热膨胀系数。也可以取代铜而使用其它的材料如铝或铁或银或特种钢。
本发明的实施例通过NTV技术建立硅半导体芯片与铜之间的两侧的持久的无铅的耐高温的大面积的连接，其中在所述硅芯片的一侧上在硅与铜层之间有减少应力的中间层，该中间层借助于NTV技术来连接，其中所述中间层具有小于17ppm/K的热膨胀系数。
本发明的实施例通过NTV技术建立硅半导体芯片与铜之间的两侧的持久的无铅的耐高温的大面积的连接，其中在所述硅芯片的两侧在硅与铜层之间有减少应力的中间层，该中间层借助于NTV技术来连接，其中所述中间层具有小于17ppm/K的热膨胀系数。
在所述实施例中，所述中间层是复合材料。在其它的实施例中，所述减少应力的中间层由一个由不同的金属构成的层顺序组成。在其它的实施例中，取代硅芯片而使用其它的半导体材料比如SiC、GaN或者类似材料。
在其它的实施例中，所述NTV层被不同于银的金属所取代或者说被金属合金所取代。所述按本发明的结构可以用作如比如用在汽车三相交流电发电机的整流器中的压入二极管的组成部分。

Claims (3)

1.电气元件(20、30)，具有
半导体基片(3)；
用于保持所述半导体基片(3)的由NTV烧结材料构成的连接层(4)；
其中，所述半导体基片(3)借助于连接层(4)与管座元件(1)相连接，其中，所述管座元件(1)由减少应力的材料形成，所述减少应力的材料减少了能够通过所述连接层(4)传递的伸展力或者压缩力对半导体基片(3)的影响。
2.按权利要求1所述的电气元件(20、30)，其中，所述半导体基片(3)借助于第二连接层(5)与头部元件(6)相连接，其中所述头部元件(6)由所述减少应力的材料形成。
3.按权利要求1或2所述的电气元件(20、30)，其中，所述减少应力的材料是一种复合材料，并且所述复合材料由AlSiC或者由一种由钼和铜构成的混合物构成，并且所述混合物具有20到60个重量百分点的铜含量。
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