DE102009002100A1 - Elektrisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Ein elektrisches Bauelement (30), insbesondere eine Diode, umfasst ein Halbleitersubstrat (3), eine Verbindungsschicht (4) zum Halten des Halbleitersubstrats (3) und ein stressminderndes Material, welches vorgesehen ist, eine Auswirkung einer über die Verbindungsschicht (4) übertragbaren Dehn- oder Stauchkraft auf das Halbleitersubstrat (3) zu verringern.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine Diode.
  • In KFZ-Generatorsystemen werden zur Gleichrichtung des Wechsel- bzw. Drehstroms meist Siliziumdioden eingesetzt. Dazu werden in der Regel Siliziumdioden in spezielle Gehäuse, in sogenannte Einpressgehäuse montiert. In der Druckschrift DE 19549202 A1 ist solch eine Gleichrichterdiode beschrieben. Diese Gleichrichterdiode weist einen Sockel auf und ist in eine vorgesehene Öffnung einer Gleichrichteranordnung einpressbar. Auf dem Sockel ist ein Podest angeordnet, auf dem durch eine Lötverbindung ein Halbleiterchip befestigt ist, an dem wiederum mittels Lötverbindung ein Kopfdraht befestigt ist. Dadurch lässt sich beim Einpressvorgang eine Robustheit bezüglich Deformation erzielen, so dass die einwirkenden Kräfte nicht den Halbleiterchip beschädigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Einsatz eines stressmindernden Materials in einem Bauelement mit einem Halbleitersubstrat, beispielsweise einer Diode, auftretende Dehn- oder Stauchkräfte auf das Halbleitersubstrat beim Montagevorgang und bei Temperaturbelastungen verringert.
  • Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, eine Einpressdiode auf einfache Weise in ein Einpressgehäuse zu montieren, ohne das Halbleitersubstrat zu be schädigen, so dass eine höhere Ausbeute an fehlerfreien Bauelementen bei der Gehäusemontage erreichbar ist.
  • Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine Diode, mit einem Halbleitersubstrat, einer Verbindungsschicht zum Halten bzw. Haltern des Halbleitersubstrats und einem stressmindernden Material, welches vorgesehen ist, eine Auswirkung einer über die Verbindungsschicht übertragbaren Dehn- oder Stauchkraft auf das Halbleitersubstrat zu verringern. Mittels des stressmindernden Materials, das dazu dient, einwirkenden Stress auf das Halbleitersubstrat zu mindern, kann die Verbindungsschicht das Halbleitersubstrat in der Weise halten, dass beim Einpressvorgang einwirkende Kräfte durch das stressmindernde Material aufgenommen oder abgeleitet werden, so dass es zu keiner unmittelbaren schädlichen Krafteinwirkung auf das Halbleitersubstrat kommt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Wärmeausdehnungskoeffizient des stressmindernden Materials geringer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer oder Eisen oder Edelstahl oder Aluminium. Dadurch verringert sich der mechanische Stress auf das Halbleitersubstrat bei Temperaturwechsel in vorteilhafter Weise. Weist das Bauelement beispielsweise Schichten aus Kupfer oder Eisen oder Edelstahl oder Aluminium auf, z. B. Anschlüsse, die sich bei Temperaturwechsel entsprechend ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausdehnen oder zusammenziehen, so bewirkt das stressmindernde Material aufgrund seines geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine Reduktion der thermischen Ausdehnung und reduziert damit die auf das Halbleitersubstrat einwirkenden Dehn- oder Stauchkräfte.
  • Gemäß einer Ausführungsform formt das stressmindernde Material eine stressmindernde Schicht, welche in die Verbindungsschicht eingebettet ist. Dies hat den Vorteil, dass (thermische) Kräfte, die über die Verbindungsschicht auf das Halbleitersubstrat einwirken, durch die stressmindernde Schicht abgeschwächt werden, beispielsweise wenn die stressmindernde Schicht einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als die Verbindungsschicht oder wenn die stressmindernde Schicht eine höhere Elastizität aufweist als die Verbindungsschicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat mittels der Verbindungsschicht mit einem Sockelelement insbesondere aus Kupfer, Eisen, Edelstahl oder Aluminium verbunden, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht geringer ist als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Sockelelements. Damit kann in vorteilhafter Weise der Einfluss thermischer Kräfte, die bei einer Temperaturänderung des Sockelelements erzeugt werden, beispielsweise beim Einsatz des Bauelements bei hohen Temperaturen, auf das Halbleitersubstrat reduziert werden. Auch ein Alterungsprozess des Bauelements lässt sich damit verlangsamen. Beispielsweise eignen sich derartige Bauelemente in vorteilhafter Weise für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen, z. B. in Kfz-Generatorsystemen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat mittels der Verbindungsschicht mit einem Sockelelement verbunden, wobei das Sockelelement aus dem stressmindernden Material geformt ist. Dies hat den Vorteil, dass das Sockelelement bereits thermische Kräfte aufnehmen kann und diese Kräfte über die Verbindungsschicht nur in stark abgemilderter Form auf das Halbleitersubstrat weitergeleitet werden, so dass das Halbleitersubstrat nicht mehr geschädigt werden kann. Ferner kann das Sockelelement auch die Kräfte aufnehmen, die bei einem Einpressvorgang erzeugt werden, beispielsweise bei der Montage eines als Einpressdiode ausgeführten Bauelements.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Verbindungsschicht oder das stressmindernde Material bleifrei. Damit kann das Bauelement auch in Zukunft weiter eingesetzt werden ohne gegen die entsprechenden Richtlinien, beispielsweise RoHS (Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektonikgeräten) oder WEEE (Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte) zu verstoßen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Bauelement eine zweite Verbindungsschicht zum Halten des Halbleitersubstrats auf, wobei das Halbleitersubstrat in die Verbindungsschicht und in die zweite Verbindungsschicht ein gebettet ist. Die Verbindungsschicht schützt in vorteilhafter Weise die sockelseitige Oberfläche des Halbleitersubstrats, während die zweite Verbindungsschicht die kopfseitige Oberfläche des Halbleitersubstrats schützt. Das stressmindernde Material kann in eine oder beide der Verbindungsschichten eingebettet sein oder eine oder beide der Verbindungsschichten können aus dem stressmindernden Material aufgebaut sein. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Halbleitersubstrat gegen einwirkende Kräfte oder Kraftkomponenten sowohl von der Kopfseite als auch von der Sockelseite zu schützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat mittels der zweiten Verbindungsschicht mit einem Kopfelement insbesondere aus Kupfer, Eisen, Edelstahl oder Aluminium verbunden, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Verbindungsschicht geringer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Kopfelements ist. Damit bewirkt die zweite Verbindungsschicht eine Abminderung der Wärmeausdehnungskräfte, die aufgrund von Temperaturänderungen am Kopfelement entstehen, so dass auf das Halbleitersubstrat nur soweit reduzierte thermische Kräfte einwirken, die zu keiner Beschädigung führen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das stressmindernde Material ein Kompositmaterial oder ein Metallschichtmaterial. Bei Verwendung eines Kompositmaterials reduziert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient bei etwa gleich bleibender Wärmeleitfähigkeit. In Folge des reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist der Stress auf das Halbleitersubstrat, beispielsweise den Siliziumchip, deutlich geringer als bei Verwendung eines Metalls, wie beispielsweise Kupfer. Auch bei Verwendung eines Metallschichtmaterials können unterschiedliche Metallschichten, die beispielsweise Metalllegierungen aufweisen, genutzt werden, so dass über alle Schichten zusammen sich der Wärmeausdehnungskoeffizient reduzieren lässt. Damit reduziert sich bei Temperaturwechsel der mechanische Stress auf das Halbleitersubstrat wiederum in vorteilhafter Weise.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Kompositmaterial aus AlSiC oder aus einer Mischung aus Molybdän und Kupfer, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 20 bis 60 Prozent Kupfer aufgebaut. Das Metallschichtmaterial umfasst eine Anordnung von Metallschichten, vorzugsweise eine Kupfer-Invar-Kupfer Schicht, wobei eine Dicke der einzelnen Metallschichten im Bereich von 10 μm bis 500 μm liegt.
  • Ein Kompositmaterial aus AlSiC ist dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats angepasst und/oder weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Kupfer auf. Dadurch werden mechanische Spannungen reduziert, welche zu einem Ermüden der Verbindungsschichten, beispielsweise der Lotschichten zum Halten des Halbleitersubstrats führen. Ferner lässt sich damit ein Ablösen der elektrischen Kontakte des Halbleitersubstrats verhindern. Ähnliches gilt bei Verwendung eines Kompositmaterials aus einer Mischung aus Molybdän und Kupfer. Als besonders vorteilhaft wird eine Mischung (Komposit) aus Molybdän und 20–60 Gewichtsprozent Kupfer (MoCu20 bis MoCu60) verwendet. Bereits bei einem Kupfergehalt von 20 wt% (Gewichtsprozent) ist der Ausdehnungskoeffizient auf etwa 6–7 ppm/K reduziert. Im Vergleich dazu hat Kupfer einen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 17 ppm/K. Die Wärmeleitfähigkeit von MoCu20 ist mit etwa 250 W/mK noch mit Kupfer, welches eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 390 W/mK aufweist, vergleichbar. In Folge des reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist der Stress auf den Siliziumchip bzw. das Halbleitersubstrat deutlich geringer als bei Verwendung von Kupfer.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Verbindungsschicht oder die zweite Verbindungsschicht aus einem NTV Sintermaterial aufgebaut ist. Dies hat den Vorteil, dass statt eines hoch bleihaltigen Lots ein bleifreies Sintermaterial eingesetzt werden kann. Ferner sind Sintermaterialien oft porös und können somit einwirkende Kräfte auf das Halbleitersubstrat auffangen. Bei einem Einwirken von thermischen Kräften aufgrund von Temperaturschwankungen oder beim Einpressvorgang beispielsweise einer Einpressdiode wirken Kräfte auf das Bauelement ein, die bei sintermaterialhaltigen Verbindungsschichten eine Verformung der Verbindungsschichten bewirken, so dass das Halbleitersubstrat einer geringeren Krafteinwirkung ausgesetzt ist.
  • Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelements, insbesondere einer Diode, mit einem Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, einem Halten des Halbleitersubstrats mittels einer Verbindungsschicht; und einem Verringern einer Auswirkung einer über die Verbindungsschicht übertragbaren Dehn- oder Stauchkraft auf das Halbleitersubstrat mittels eines stressmindernden Materials. Damit können die gleichen Vorteile wie oben beschrieben auch für das Verfahren zur Herstellung des elektrischen Bauelements realisiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das stressmindernde Material mittels NTV-Technik (Niedertemperatur Verbindungtechnik) in die Verbindungsschicht einge bracht. Bei niedrigen Temperaturen reduziert sich der thermische Stress aufgrund von thermischen Ausdehnungseffekten auf das Halbleitersubstrat, so dass mit weniger Ausschuss zu rechnen ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das Halbleitersubstrat unter Verwendung der Verbindungsschicht mit einem Sockelelement verbunden, wobei das Verbinden mittels NTV-Technik erfolgt. Gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen die Verbindungsschicht eine bleihaltige oder bleifreie Lotschicht ist, kann mittels des Niedertemperatur-Verbindungsverfahrens die Temperatur beim Verbinden niedrig gehalten werden. Es ist nicht notwendig, die Temperatur so hoch zu fahren, dass das Lot schmilzt, d. h. etwa bei 300°C. Mit der NTV-Technik entsteht eine sehr stabile, hoch wärme- und elektrisch leitfähige, schwammartige Verbindungsschicht, meist aus Silber. Die Vorteile dieser Verbindungstechnik gegenüber den konventionellen Verfahren wie Löten oder Bonden sind eine Vermeidung einer flüssigen Phase während des Vorganges, hohe Festigkeit auch oberhalb etwa 250°C der Eingangstemperatur, lunkerfreie Verbindungsschicht, hohe Lastwechselfestigkeit sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden Bezug nehmend auf 1 und 2 erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Einpressdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Einpressdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Einpressdiode 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Einpressdiode 30 weist ein mit einer Rändelung versehenes Sockelelement 1 bzw. einen Einpresssockel 1 auf, der in eine entsprechende Aussparung einer Gleichrichteranordnung, die hier nicht dargestellt ist, eingepresst werden kann. Der Einpresssockel 1 übernimmt dabei gleichzeitig eine dauerhafte thermische und elektrische Verbindung der Gleichrichterdiode 30 mit der Gleichrichteranordnung.
  • Der Einpresssockel 1 weist einen Befestigungsbereich auf, an dem ein Halbleiterchip 3, beispielsweise ein Siliziumchip 3, bzw. ein Halbleitersubstrat 3 mittels einer Verbindungsschicht 4 befestigt ist. Auf dem Halbleitersubstrat 3 wiederum ist ein Kopfelement 6 bzw. ein sogenannter Kopfdraht 6 mittels einer zweiten Verbindungsschicht 5 befestigt, der elektrisch fest mit anderen Komponenten der Gleichrichterdiode 30 kontaktiert ist. Der zwischen den beiden Verbindungsschichten 4 und 5 eingebettete Siliziumchip 3 bzw. das Halbleitersubstrat 3 ist mit einer isolierenden Kunststoffmasse 7 umhüllt. Als Kunststoffmasse 7 kann z. B. ein mit Quarzkörnern gefülltes Epoxid oder ein sonstiger hoch temperaturfester Kunststoff dienen. Zur Einbringung der Kunststoffmasse 7 kann ein ein zusätzlicher, optionaler Kunststoffring 8 eingebracht sein. Ferner kann sich noch eine, in 1 nicht gekennzeichnete, zusätzliche weiche Kunststoffschicht zwischen Halbleiterchip 3 und Epoxid 7 befinden. Das Material der Verbindungsschichten 4 und 5 besteht aus einem bleifreien NTV (Niedertemperatur-Verbindungstechnik) Sintermaterial und damit nicht aus, wie üblicherweise bei Gleichrichterdioden eingesetzten, hoch bleihaltigen Lotmaterialien.
  • Der Sockel 1 bzw. das Sockelelement 1 und der Kopfdraht 6 bzw. das Kopfelement 6 sind aus einem Kompositmaterial gefertigt und mittels NTV-Technik verbunden. Die beiden Elemente 1 und 6 können in weiteren Ausführungsbeispielen mit einer dünnen Edelmetallschicht versehen sein. Als besonders vorteilhaft wird für das Kompositmaterial eine Mischung (Komposit) aus Molybdän und 20–60 Gewichtsprozent Kupfer (MoCu20 bis MoCu60) verwendet. Dem Fachmann sind weitere Kompositmaterialien mit ähnlich vorteilhaften Eigenschaften bekannt, die sich ebenfalls zur Fertigung des Sockelelements 1 und des Kopfelements 6 verwenden lassen, wie zum Beispiel Komposite aus AlSiC.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Einpressdiode 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 1 sind das Sockelelement 1 sowie das Kopfelement 6 aus Metall, in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer gefertigt. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Metall auch Aluminium, Silber, Edelstahl, Eisen oder ein anderes Metall sein.
  • Zwischen dem Kupfersockel 1 bzw. dem Sockelelement 1 und dem Halbleitersubstrat 3 ist eine stressmindernde Schicht 9 mittels NTV-Verbindungstechnik eingebracht. Dabei erfolgt die Verbindung der stressmindernden Schicht 9 mit dem Halbleiterchip 3 einerseits und dem Sockelelement 4 andererseits über die Verbindungsschicht 4, die damit in einen kopfseitigen Teil 4 und einen sockelseitigen Teil 10 unterteilt wird. Die stressmindernde Schicht 9 ist damit in die Verbindungsschicht 4 (d. h. kopfseitigen Teil 4 und sockelseitigen Teil 10 der Verbindungsschicht) eingebettet. Eine für das NTV-Verfahren meist notwendige Silber- oder Edelmetallbeschichtung ist in den beiden Figuren nicht eingezeichnet und wird aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Die stressmindernde Schicht 9 hat einen näherungsweise linearen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner als ein Ausdehnungskoeffizient des Sockelelements 1 und des Kopfelement 6 ist, d. h. bei Fertigung der beiden Elemente 1, 6 aus Kupfer kleiner als 17 ppm/K. Dadurch wird der mechanische Stress auf den Siliziumchip 3 bei Temperaturwechsel in vorteilhafter Weise verringert.
  • Die stressmindernde (Zwischen)-Schicht 9 kann aus Kompositen, wie z. B. MoCu20, bzw. aus einer Anordnung aus Schichten von Metall bestehen. Beispielsweise kann es sich um Kupfer-Invar-Kupfer (CIC) Schichten handeln, bei denen eine Nickel-Eisenlegierung (Invar) zwischen zwei Kupferschichten eingewalzt ist. Die Dicke der einzelnen Schichten der stressmindernden Zwischenschicht 9 kann im Bereich von ungefähr 10 μm bis 500 μm liegen, vorzugsweise etwa 200 μm.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen kann die stressmindernde Zwischenschicht 9 auch zwischen Kopfelement 6 und Halbleiterchip 3 eingebracht sein. Dann wäre sie in die zweite Verbindungsschicht 5 eingebettet, die dann analog zu der Abbildung in 2 in einen kopfseitigen Teil und einen sockelseitigen Teil unterteilt wäre.
  • Alternativ können auch zwei stressmindernde Zwischenschichten 9 Einsatz finden, wobei dann eine in die Verbindungsschicht 4 und die andere in die zweite Verbindungsschicht 5 eingebettet wäre.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung eignen sich zum Einsatz als Generatordiode, beispielsweise in Kfz-Generatorsystemen bei sehr hohen Temperaturen. Mittels Ausführungsbeispielen der Erfindung kann auf den Einsatz hochbleihaltiger Legierungen verzichtet werden. Durch den andersartigen Fügewerkstoff und das andersartige Fügekonzept lassen sich Betriebstemperaturen der Einpressdiode erhöhen, beispielsweise lassen sich höhere Abwärmeverluste realisieren oder eine größere Freiheit bei der Wahl des Einsatzortes. Durch die Verwendung eines Sinterwerkstoffes lässt sich die bei bleifreien Weichloten bzw. Ersatzlegierungen geltende Temperaturbarriere von etwa 220°C überwinden. Damit erhöht sich die Lebensdauer gegenüber herkömmlichen aus Weichloten realisierten Verbindungsschichten in vorteilhafter Weise.
  • Bei der Niedertemperaturverbindungstechnik gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die hochbleihaltige Lotverbindung herkömmlicher Einpressdioden durch eine speziell aufgebrachte Silberschicht ersetzt. Im Gegensatz zu einem bleihaltigen Weichlot, bei dem das Lot während des Fügeprozesses aufgeschmolzen werden muss, kann der Fügeprozess bei einer Silberschicht schon bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelztemperatur erfolgen. Im allgemeinen erfolgt der Fügeprozess unter zusätzlichem mechanischen Druck. Die zu fügenden Teile wie Kopfdraht 6, Siliziumchip 3 und Sockel 1 sind dazu meist mit einer dünnen Edelmetallbeschichtung versehen.
  • Im Vergleich zu hoch bleihaltigen Loten weisen die NTV-Schichten 4, 5 ein etwa dreifach höheres Elastizitätsmodul (E-Modul) auf. Die Zugfestigkeit ist sogar etwa fünfmal höher. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von NTV-Schichten nur um etwa 20% geringer ist als von hoch bleihaltigen Loten, sind die Spannungen bei thermischen Belastungen eines Kupfer/NTV/Siliziumchip/NTV/Kupfer Sandwichs wesentlich höher als bei herkömmlichen bleihaltigen Lotverbindungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen eine Möglichkeit auf, Halbleiterchips 3 aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien mittels NTV-Verbindungstechnik direkt mit Kupferteilen 1, 6 zu verbinden. Insbesondere ist es möglich, eine Einpressdiode, bei der der Siliziumchip auf beiden Seiten mit anderen Materialien verbunden ist, einfach herzustellen, ohne dass die mechanischen Spannungen den Siliziumchip 3 beschädigen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine beidseitige, dauerhafte, bleifreie, hochtemperaturfeste großflächige Verbindung eines Siliziumhalbleiterchips mit Materialien großer thermischer Masse durch NTV-Technik, wobei als Material großer thermischer Masse ein Kompositmaterial verwendet wird, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner 17 ppm/K aufweist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine dauerhafte, bleifreie, hochtemperaturfeste großflächige Verbindung eines Siliziumhalbleiterchips mit Materialien großer thermischer Masse durch NTV-Technik, wobei eine Seite des Siliziumchips mit Kupfer und die andere Seite mit einem Kompositmaterial verbunden ist, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner 17 ppm/K aufweist. Anstatt Kupfer kann auch ein anderes Material, beispielsweise Aluminium oder Eisen oder Silber oder Edelstahl Verwendung finden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine beidseitige, dauerhafte, bleifreie, hochtemperaturfeste großflächige Verbindung eines Siliziumhalbleiterchips mit Kupfer durch NTV-Technik, wobei sich auf einer Seite des Siliziumchips zwischen dem Silizium und der Kupferschicht eine stressmindernde Zwischenschicht befindet, die mittels NTV-Technik verbunden ist, wobei die Zwischenschicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner 17 ppm/K aufweist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine beidseitige, dauerhafte, bleifreie, hochtemperaturfeste großflächige Verbindung eines Siliziumhalbleiterchips mit Kupfer durch NTV-Technik, wobei sich auf beiden Seiten des Siliziumchips zwischen dem Silizium und der Kupferschicht eine stressmindernde Zwischenschicht befindet, die mittels NTV-Technik verbunden ist, wobei die Zwischenschichten einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner 17 ppm/K aufweisen.
  • Bei Ausführungsbeispielen ist die Zwischenschicht ein Kompositmaterial. Bei weiteren Ausführungsbeispielen besteht die stressmindernde Zwischenschicht aus einer Schichtenfolge von unterschiedlichen Metallen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird statt eines Siliziumchips ein anderes Halbleitermaterial, beispielsweise SiC, GaN oder ähnliches verwendet.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die NTV-Schicht durch ein anderes Metall als Silber bzw. durch eine Metalllegierung ersetzt. Die erfindungsgemäße Anordnung kann als Teil einer Einpressdiode, wie sie beispielsweise in Gleichrichtern für Kfz-Drehstromgeneratoren Verwendung finden, eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19549202 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Richtlinie 2002/95/EG [0010]
    • - Richtlinie 2002/96/EG [0010]

Claims (15)

  1. Elektrisches Bauelement (20, 30), insbesondere eine Diode, mit: einem Halbleitersubstrat (3); einer Verbindungsschicht (4) zum Halten des Halbleitersubstrats (3); und einem stressmindernden Material, welches vorgesehen ist, eine Auswirkung einer über die Verbindungsschicht (4) übertragbaren Dehn- oder Stauchkraft auf das Halbleitersubstrat (3) zu verringern.
  2. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß Anspruch 1, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient des stressmindernen Materials geringer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer oder Eisen oder Edelstahl oder Aluminium ist.
  3. Elektrisches Bauelement (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das stressmindernde Material eine stressmindernde Schicht (9) formt, welche in die Verbindungsschicht (4) eingebettet ist.
  4. Elektrisches Bauelement (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (3) mittels der Verbindungsschicht (4) mit einem Sockelelement (1) insbesondere aus Kupfer, Eisen, Edelstahl oder Aluminium verbunden ist, und wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht (4) geringer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Sockelelementes (1) ist.
  5. Elektrisches Bauelement (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei wobei das Halbleitersubstrat (3) mittels der Verbindungsschicht (4) mit einem Sockelelement (1) verbunden ist, wobei das Sockelelement (1) aus dem stressmindernden Material geformt ist.
  6. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsschicht (4) oder das stressmindernde Material bleifrei ist.
  7. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer zweiten Verbindungsschicht (5) zum Halten des Halbleitersubstrats (3), wobei das Halbleitersubstrat (3) zwischen die Verbindungsschicht (4) und die zweite Verbindungsschicht (5) eingebettet ist.
  8. Elektrisches Bauelement (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (3) mittels der zweiten Verbindungsschicht (5) mit einem Kopfelement (6) insbesondere aus Kupfer, Eisen, Edelstahl oder Aluminium verbunden ist, und wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Verbindungsschicht (5) geringer als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Kopfelements (6) ist.
  9. Elektrisches Bauelement (30) gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei das Halbleitersubstrat (3) mittels der zweiten Verbindungsschicht (5) mit einem Kopfelement (6) verbunden ist, wobei das Kopfelement (6) aus dem stressmindernden Material geformt ist.
  10. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das stressmindernde Material ein Kompositmaterial oder ein Metallschichtmaterial ist.
  11. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß Anspruch 10, wobei das Kompositmaterial aus AlSiC oder aus einer Mischung aus Molybdän und Kupfer, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von 20 bis 60 Prozent Kupfer aufgebaut ist; und wobei das Metallschichtmaterial eine Anordnung von Metallschichten umfasst, vorzugsweise eine Kupfer-Invar-Kupfer Schicht, wobei eine Dicke der einzelnen Metallschichten im Bereich von 10 μm bis 500 μm liegt.
  12. Elektrisches Bauelement (20, 30) gemäß eine der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsschicht (4) oder die zweite Verbindungsschicht (5) aus einem NTV Sintermaterial aufgebaut ist.
  13. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelements (20, 30), insbesondere einer Diode, mit: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (3); Halten des Halbleitersubstrats (3) mittels einer Verbindungsschicht (4); und Verringern einer Auswirkung einer über die Verbindungsschicht (4) übertragbaren Dehn- oder Stauchkraft auf das Halbleitersubstrat (3) mittels eines stressmindernden Materials.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das stressmindernde Material mittels NTV-Technik in die Verbindungsschicht (4) eingebracht ist.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, mit Verbinden des Halbleitersubstrats (3) unter Verwendung der Verbindungsschicht (4) mit einem Sockelelement (1), wobei das Verbinden mittels NTV Technik erfolgt.
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