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Diese
Patentanmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der japanischen
Patentanmeldung Nr. 2005-148730, Anmeldetag 20. Mai 2005, auf deren
Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine bleifreie Lötlegierung und eine unter Verwendung
der Lötlegierung
hergestellte Halbleitervorrichtung, besonders eine Lötlegierung
des Zinn (Sn)-Antimon
(Sb)-Systems.
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Eine
Lötlegierung
muß allgemein
genügende
Bindungskraft und Korrosionsbeständigkeit
aufweisen. In Energie-Halbleitervorrichtungen für Anwendung in Energiewandlern
wird eine Lötlegierung
verwendet, um die rückseitige
Fläche
eines Halbleiterchips mit einem Leitermuster zu verbinden, das auf
einer Hauptfläche (Frontfläche) eines
isolierenden Substrats angeordnet ist, welches ein keramisches Substrat
mit Leitermustern auf seinen Oberflächen ist. Eine solche Lötlegierung
muß hohe
Festigkeit gegen Wärmeermüdung aufweisen, da
sich im Lötbereich
große
Wärmespannung
entwickelt. Die Rückseite
des Halbleiterchips ist in Form einer Flächenverbindung mit dem Leitermuster
auf der Oberfläche
des isolierenden Substrats verbunden, und die Wärmeausdehnungskoeffizienten
sind verschieden in einem Halbleiterchip und in einem Leitermuster.
Außerdem
erzeugt der Halbleiterchip während
der Leitungsperiode Wärme.
Daher leidet der Lötabschnitt
unter großer
Wärmespannung.
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In
Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die in einem Leistungswandler
für Leistungswandlung
in elektrischen Fahrzeugen installiert sind, ist das auf der anderen
Hauptfläche
(einer rückseitigen
Fläche)
eines isolierenden Substrats angeordnete Leitermuster mit einem
Kühl- oder
Abstrahlblech aus Metall verbunden. Da der Lötbereich sehr breit ist, muß die für diese
Verbindung verwendete Lötlegierung
ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit
zeigen. Außerdem
entwickelt sich im Verbindungsbereich zwischen dem Abstrahlblech
und dem Leitermuster auf der Rückseite
des isolierenden Substrats eine große Wärmespannung wegen des Unterschieds in
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des isolierenden Substrats (eines keramischen Substrats) und des Kühlblechs.
Da die Lötfläche in der
Verbindung zwischen dem Kühlblech
und dem Leitermuster auf der Rückseite
des isolierenden Substrats groß ist,
ist die in der Lötfläche erzeugte
Spannung größer als
die Spannung, die sich in der Verbindung zwi schen dem Halbleiterchip
und dem Leitermuster auf der Frontseite des isolierenden Substrats
entwickelt, wie oben erwähnt.
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Neuerdings
wird aus Gründen
der Umweltverträglichkeit
eine Lötlegierung
verlangt, die kein Blei (Pb) enthält. Eine der bekannten derartigen
Lötlegierungen
ist eine Zinn (Sn) -Antimon (Sb)-Legierung. Eine bekannte Lötlegierung
dieser Art (s. beispielsweise Patentdokument 1 = JP H11-58066A)
enthält
Zinn (Sn) als einen Hauptbestandteil und nicht mehr als 3,0 Gew.-%
Antimon (Sb), nicht mehr als 2,5 Gew.-% Silber (Ag), nicht mehr
als 0,1 Gew.-% Germanium
(Ge) und außerdem
nicht mehr als 1,0 Gew.-% Kupfer oder nicht mehr als 1,0 Gew.-%
Nickel oder die beiden Elemente. Eine andere bekannte Lötlegierung
(s. z. B. Patentdokument 2 = JP 2003-94194A) enthält Germanium
(Ge) im Bereich von 0,01 bis 10 Gew.-%, Antimon im Bereich von 5 bis 30 Gew.-%
und Zinn (Sn) im Bereich von 65 bis 90 Gew.-%.
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Eine
Sn-Sb-Legierung mit einem peritektischen Punkt bei 8,5 Gew.-% Antimon
(Sb) und einer Temperatur von 245°C
wird im allgemeinen verwendet mit einer Zusammensetzung die Antimon
innerhalb 8 Gew.-% enthält.
Das Schmelzen der Sn-Sb-Legierung tritt bei Temperaturen zwischen
232°C, dem
Schmelzpunkt von Zinn (Sn), und 245°C, dem peritektischen Punkt
auf. Der Flüssig-Fest-Koexistenz-Bereich
ist eng, die Wärmebeständigkeit
ist günstig
und mechanisch bessere Eigenschaften können durch Erhöhung des
Antimon-Gehalts erreicht werden. Jedoch führt ein hoher Gehalt an Antimon
zu einem Problem geringer Benetzungsfähigkeit beim Löten der
Legierung. Die Oxidation einer Lötkomponente
wie Zinn führt
zu einem anderen Problem, der verschlechterten Haftfestigkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist eine Lösung
der oben angegebenen Probleme durch Schaffung einer Lötlegierung
des Sn-Sb-Systems mit ausgezeichneter Benetzungsfähigkeit
und befriedigender Bindungs(haft)fähigkeit. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die
eine Lötlegierung eines
Sn-Sb-Systems mit ausgezeichneter Benetzungsfähigkeit und befriedigender
Haftfähigkeit
verwendet.
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Zur Überwindung
der Probleme und Lösung
der Aufgaben dient erfindungsgemäß eine Lötlegierung nach
Anspruch 1, die Antimon in einem Bereich von 3 bis 5 Gew.-%, eine
Spurenmenge Germanium und Rest Zinn enthält.
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Bevorzugt
wird eine erfindungsgemäße Lötlegierung
nach Anspruch 2, worin der Germanium-Gehalt nicht mehr als 0,2 Gew.-%
beträgt.
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die eine Lötlegierung
verwendet, weist nach Anspruch 3 ein isolierendes Substrat, das
an seinen beiden Flächen
mit Leitermustern versehen ist, einen Halbleiterchip, der mit einem
Leitungsmuster auf einer Vorderseite des isolierenden Substrats
verbunden ist, und ein Wärmeabstrahlblech,
das mit einem Leitermuster auf einer Rückseite des isolierenden Substrats
verbunden ist, auf, wobei das Leitermuster auf der Rückseite
des isolierenden Substrats und das Wärmeabstrahlblech mit einer Lötlegierung
gelötet
sind, die Antimon in einem Bereich von 3 bis 5 Gew.-%, eine Spurenmenge
Germanium und den Rest Zinn enthält.
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die eine Lötlegierung
verwendet, gemäß Anspruch
4 ist die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, worin eine Rückseite
des Halbleiterchips und das Leitermuster auf der Vorderseite des
isolierenden Substrats mit einer Lötlegierung gelötet sind,
die Antimon in einem Bereich von 3 bis 5 Gew.-%, eine Spurenmenge
Germanium und den Rest Zinn enthält.
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die eine Lötlegierung
verwendet, gemäß Anspruch
5 ist die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4,
worin Elektroden auf den Flächen
des Halbleiterchips angeordnet und Leiter zur Verdrahtung mit einer
Lötlegierung
gelötet
sind, die Antimon in einem Bereich von 3 bis 5 Gew.-%, eine Spurenmenge
Germanium und den Rest Zinn enthält.
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die eine Lötlegierung
verwendet, gemäß Anspruch
6 ist die Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis
5, worin der Germanium-Gehalt in der Lötlegierung nicht mehr als 0,2
Gew.-% beträgt.
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Eine
erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,
die eine Lötlegierung
verwendet, ist nach Anspruch 7 die Halbleitervorrichtung nach einem
der Ansprüche
3 bis 5, worin das isolierende Substrat ein keramisches Substrat
ist, das im wesentlichen aus Aluminiumoxid, Alu miniumnitrid oder
Siliciumnitrid besteht und auf seinen beiden Flächen Kupfermuster hat, und
dessen Wärmeabstrahlblech
aus Kupfer hergestellt ist.
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Durch
Zugabe von Antimon (Sb) zu Zinn (Sn) gemäß der Erfindung wie in den
Ansprüchen
1 bis 7 angegeben, werden die Wärmebeständigkeit
und Festigkeit gegen Wärmeermüdung der
Legierung verbessert. Die Schmelztemperatur steigt und die Wärmebeständigkeit
der Legierung nimmt zu. Eine Vergröberung der Kristallkörner von
Zinn in Folge von Wärmespannungen
wird unterdrückt,
was die Wärmeermüdungsfestigkeit verbessert.
Da nun die Wärmeermüdungsfestigkeit
sehr gering (kurz) ist, wenn der Gehalt an Antimon unter 3 Gew.-%
beträgt,
liegt die Menge des Antimon-Zusatzes vorzugsweise bei wenigstens
3 Gew.-%. Wenn der
Antimon-Gehalt mehr als 5 Gew.-% beträgt, verschlechtert sich die
Benetzungsfähigkeit
des Lots. Demgemäß beträgt die Menge
des Antimon-Zusatzes vorzugsweise nicht mehr als 5 Gew.-%.
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Durch
Zugabe einer Spurenmenge von Germanium (Ge) zu der Sn-Sb-Lötlegierung
wird ein dünner Oxidfilm
gebildet, wenn das Lot schmilzt, wodurch die Oxidation einer Lötkomponente
wie Zinn unterdrückt
und die Verbindungsqualität
verbessert wird. Eine Zusatzmenge von wenigstens 0,01 Gew.-% Germanium
wird bevorzugt, um eine genügende
Wirkung der Unterdrückung
von Oxidation zu erreichen. Andererseits wird bei einem Germaniumgehalt
von mehr als 0,2 Gew.-% der Oxidfilm mit dem Germanium zu dick,
was die Verbindungsqualität
nachteilig beeinflußt.
Demgemäß beträgt die Menge
an zugesetztem Germanium geeigneterweise nicht mehr als 0,2 Gew.-%.
Das in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-% zugesetzte
Germanium liefert also befriedigende Verbindungsqualität sowie
ausgezeichnete Wärmeermüdungsfestigkeit.
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Erfindungsgemäß wird also
eine Sn-Sb-Lötlegierung
erhalten, die ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit und befriedigende Verbindungsqualität zeigt.
Erfindungsgemäß wird auch
eine Halbleitervorrichtung erhalten, die eine Lötlegierung des Sn-Sb-Systems
verwendet, die ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit und befriedigende Verbindungsqualität zeigt.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
einer Lötlegierung
und einer die Lötlegierung
verwendenden Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung werden im folgenden
mit Bezug auf eine beigefügte
Zeichnung im einzelnen beschrieben.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 ist
ein Querschnitt eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung,
die eine erfindungsgemäße Lötlegierung
verwendet.
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- 1
- keramisches
Substrat
- 2,
3
- Leitermuster
- 4
- Halbleiterchip
- 5,
7, 9
- Lötlegierung
- 6
- Verdrahtungsleiter
- 8
- Wärmeabstrahlblech
- 10
- isolierendes
Substrat
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Lötlegierung
wird hergestellt durch Schmelzen der Rohmaterialien Zinn (Sn), Antimon
(Sb) und Germanium (Ge) in einem Elektroofen. Die Reinheit jedes
Rohmaterials beträgt
99,99 % oder besser. Die Zusammensetzungen sind Antimon 3 bis 5
Gew.-%, Germanium 0,01 bis 0,2 Gew.-% und der Rest Zinn als Hauptbestandteil.
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Im
folgenden wird ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung beschrieben,
welche die oben beschriebene Lötlegierung
verwendet. 1 ist eine Schnittansicht, welche
die Struktur der Halbleitervorrichtung zeigt. Mit Bezug auf 1 weist
ein isolierendes Substrat 10 ein keramisches Substrat 1 und
mit beiden Flächen
des keramischen Substrats verbundene Leitermuster 2 und 3 auf.
Das keramische Substrat 1 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid,
Aluminiumnitrid oder Siliciumnitrid. Das Leitermuster 2,
das auf der Frontseite des keramischen Substrats 1 gebildet
ist, ist ein metallisches Leitermuster, das einen elektrischen Kreis
bildet. Auf der Rückseite
des keramischen Substrats 1 ist ein metallisches Leitermuster 3 ausgebildet.
Die Leitermuster 2 und 3 sind vorzugsweise aus
Kupfer gebildet, das billig ist und hohe Wärmeleitfähigkeit zeigt. Auf der Rückseite
des Halbleiterchips 4 sind Rückseitenelektroden aus Metallfilmen
ausgebildet (in der Figur nicht gezeigt). Die Rückseitenelektroden sind mit
den Leitermustern 2 auf der Frontseite des isolierenden
Substrats 10 mit einer Lötlegierung 5 verbunden,
welche die oben beschriebene Zusammensetzung hat.
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Auf
der Frontseite des Halbleiterchips 4 sind Frontseitenelektroden
aus Metallfilmen ausgebildet (in der Figur nicht gezeigt). Die Frontseitenelektroden
sind mit dem Drahtleiter 6 mit einer Lötlegierung 7 verbunden,
welche eine Zusammensetzung wie oben beschrieben hat. Das Leitermuster 3 auf
der Rückseite
des isolierenden Substrats 10 ist mit dem Wärmeabstrahlblech 8 aus
Metall mit einer Lötlegierung 9 mit
einer Zusammensetzung wie oben beschrieben verbunden. Das Wärmeabstrahlblech 8 ist
ein Wärmeleiter
zu äußeren Kühlrippen
des Halbleitergehäuses,
die in der Figur nicht gezeigt sind. Das Wärmeabstrahlblech 8 ist
vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, das billig ist und hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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Im
Verbindungsbereich zwischen dem Leitermuster 3 auf der
Rückseite
des isolierenden Substrats 10 und dem Wärmeabstrahlblech 8 entwickelt
sich eine große
Wärmespannung
wegen des Unterschiedes im Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem keramischen Substrat 1 des isolierenden Substrats 10 und dem
Wärmeabstrahlblech 8.
Da besonders Kupfer einen vom Wärmeausdehnungskoeffizienten
des keramischen Substrats 1 erheblich abweichenden hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat, entsteht eine hohe Spannung im Verbindungsbereich zwischen
dem Leitermuster 3 auf der Rückseite des isolierenden Substrats 10 und
dem Wärmeabstrahlblech 8.
Wenn ein Wärmeabstrahlblech 8 aus
einem Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Kupfer hergestellt würde
(beispielsweise Aluminium oder einer Legierung von Kupfer und Molybdän), würde die
Entstehung von Spannung wegen des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten
verringert werden. Diese Materialien sind jedoch teuer und zeigen
geringe Wärmeleitfähigkeit,
was die Kühleigenschaften
der Halbleitervorrichtung verschlechtert.
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Durch
Verwendung einer Lötlegierung
mit der oben beschriebenen Zusammensetzung zum Verbinden der Leitermuster 3 und
des Wärmeabstrahlblechs 8 werden
ausgezeichnete Kühleigenschaften
und befriedigende Verbindungseigenschaften erhalten, wenn man Kupfer
mit seinen geringen Kosten und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Ein Lötmaterial,
das nicht die gleiche Zusammensetzung wie die Lötlegierung 5, 7, 9 aufweist,
kann zum Verbinden der Frontflächenelektroden
des Halbleiterchips 4 und des Drahtleiters 6 sowie zum
Verbinden der rückseitigen
Elektroden des Halbleiterchips 4 und des Leitermusters 2 auf
dem isolierenden Substrat 10 verwendet werden.
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Beispiele 1 bis 4
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Lötlegierungen
des Sn-Sb-Systems wurden in den Zusammensetzungen Antimon 5,0 Gew.-%,
Germanium vier Gehaltsstufen im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-%
und Rest Zinn hergestellt. Der Germaniumgehalt betrug in Beispiel
1 0,01 Gew.-%, in Beispiel 2 0,05 Gew.-%, in Beispiel 3 0,1 Gew.-% und in Beispiel
4 0,2 Gew.-%.
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Beispiele 5 bis 8
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Lötlegierungen
des Sn-Sb-Systems wurden in den Zusammensetzungen Antimon 3,0 Gew.-%,
Germanium vier Gehaltsstufen im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-%
und Rest Zinn hergestellt. Der Germaniumgehalt betrug in Beispiel
5 0,01 Gew.-%, in Beispiel 6 0,05 Gew.-%, in Beispiel 7 0,1 Gew.-% und in Beispiel
8 0,2 Gew.-%.
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Vergleichsbeispiele 1
bis 4
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Lötlegierungen,
die kein Germanium enthielten, wurden zum Vergleich hergestellt.
Der Antimongehalt war 6,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 1, 5,0 Gew.-%
in Vergleichsbeispiel 2, 3,0 Gew.-% in Vergleichsbeispiel 3, 2,0
Gew.-% in Vergleichsbeispiel 4; der Rest jeweils Zinn.
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Bei
jeder der so erhaltenen Lötlegierungen
wurde die Benetzungsfähigkeit
(Benetzungsfestigkeit) unter Verwendung von Lötfluß (RMA-Typ) mittels einer Meniskograph-Methode gemessen.
An jeder Lötlegierung wurde
das Verhältnis
der benetzten Fläche
und des Benetzungswinkels gemessen und die Bildung eines Oxidfilms
auf der Schmelze beobachtet. Die Wärmeermüdungsfestigkeit wurde auch
bei jeder Lötlegierung
bewertet. Dazu wurden ein zusammengesetzter Körper (eine Kombination des
Wärmeabstrahlblechs 8 und
des isolierenden Substrats 10 mit dem Leitermuster 3 mit
der Lötlegierung 9 verbunden,
wie in 1 gezeigt) hergestellt, indem ein Leitermuster
aus Metall auf einem isolierenden Substrat unter Verwendung jeder
Lötlegierung mit
einem Wärmeabstrahlblech
aus Metall verbunden wurde.
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Jeder
dieser zusammengesetzten Körper
wurde Belastungstemperaturzyklen durch wiederholte Temperaturwechsel
von –40
bis 125°C
ausgesetzt. Die Rißlänge wurde
nach 1.000 Zyklen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
In der Spalte "Oxidfilm" in Tabelle 1 bedeuten
die Zeichen x und
,
daß die Bildung
von Oxidfilm signifikant bzw. sehr gering war.
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Tabelle
1 zeigt folgendes: Mit dem Anstieg des zugesetzten Antimons (Sb)
verbessert sich die Wärmeermüdungsfestigkeit,
jedoch führt
ein Anstieg über
5,0 Gew.-% zu keiner weiteren Verbesserung derselben. Andererseits
verschlechtert ein Antimon-Gehalt von unter 3,0 Gew.-% erheblich die Wärmeermüdungsfestigkeit.
Ein Zusatz von 0,01 bis 0,2 Gew.-% Germanium unterdrückt erheblich
die Bildung eines Oxidfilms auf dem geschmolzenen Lot und verbessert
gleichzeitig die Benetzungsfähigkeit.
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Der
Zusatz von Germanium ist wirksam sowohl für Flußlöten als auch Rückflußlöten. Weiter
ist Germanium wirksam sowohl in Lötpaste als auch in Lötblatt.
Der Zusatz von Ger manium in einer Menge von mehr als 0,01 Gew.-%
machte keinen wesentlichen Unterschied in der Benetzungsfähigkeit
und der Oxidfilmbildung gegenüber
dem Germaniumgehalt von 0,1 Gew.-%. Der Zusatz von Germanium, der
die Oxidation von Zinn unterdrückt,
ist nicht nur im Verfahren des Lötens
wirksam sondern auch im Verfahren der Herstellung einer Lötlegierung,
um eine Lötlegierung
mit geringem Oxidationsfilm und hoher Qualität zu liefern.
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In
einem Verfahren zur Herstellung von Pulver von Lötlegierung für Lötpaste soll
beispielsweise jedes Pulverkörnchen
eine Kugelform haben. Um das Pulver von kugelförmigen Teilchen zu erhalten,
wird es notwendigerweise unter einer Bedingung hergestellt, wo nur
die Oberflächenspannung
wirksam ist, was erfordert, die Oberflächenoxidation auf ein Mindestmaß zu verringern.
Ein Germaniumzusatz ist daher günstig,
um die Oberflächenoxidation
zu unterdrücken.
Die Oxidationsgeschwindigkeit von Germanium ist stabil und bereits eine
kleine Menge des Zusatzes hält
die Wirkung aufrecht.
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Wie
oben beschrieben, liefert der Zusatz von Germanium in einer Sn-Sb-Legierung
eine Lötlegierung mit
ausgezeichneter Wärmeermüdungsfestigkeit,
hoher Wärmebeständigkeit,
hoher Benetzungsfähigkeit
und befriedigender Bindungsleistung. Da die Legierung bleifrei ist,
erhält
man eine Lötlegierung,
die keine Umweltverschmutzung bewirkt.
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Wie
beschrieben, wird eine Lötlegierung
und eine für
die Legierung verwendete Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung
mit Vorteil bei einer Mehrzahl verschiedener Apparate mit gelöteten Teilen
verwendet und ist besonders geeignet für Halbleitervorrichtungen für Leistungsumwandlung,
die in einem Leistungswandlergerät
verwendet werden, das in elektrischen Fahrzeugen installiert ist.
