DE102017126689A1 - Halbleitersubstrat-Anordnung, Verbindungsschicht für Halbleitersubstrate und Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht - Google Patents

Halbleitersubstrat-Anordnung, Verbindungsschicht für Halbleitersubstrate und Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitersubstrat-Anordnung weist ein Halbleitersubstrat mit einer dielektrisch isolierenden Schicht, einer ersten elektrisch leitenden Schicht auf einer ersten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht auf, wobei die dielektrisch isolierende Schicht zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist. Die Anordnung weist weiterhin einen Halbleiterkörper, der auf der ersten elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist, und eine Verbindungsschicht auf, die zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und dem Halbleiterkörper angeordnet ist und eine stabile, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Halbleitersubstrat bildet. Die Verbindungsschicht weist ein Sintermaterial mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein Additiv mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei ist der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient. Die Verbindungsschicht mit dem Sintermaterial und dem Additiv weist einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitersubstrat-Anordnung, eine Verbindungsschicht für Halbleitersubstrate und ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht.
  • Leistungshalbleitermodule weisen meist eine Bodenplatte in einem Gehäuse auf. Auf der Bodenplatte sind ein oder mehrere Halbleitersubstrate angeordnet. Eine Halbleiteranordnung mit einer Vielzahl steuerbarer Halbleiterbauelemente (z.B. IGBTs) ist auf wenigstens einem der Substrate angeordnet. Ein Halbleitersubstrat weist in der Regel eine elektrisch isolierende Substratschicht (z.B. eine Keramikschicht), eine erste elektrisch leitende Schicht (z.B. eine Metallschicht) die auf einer ersten Seite der Substratschicht angeordnet ist, und eine zweite elektrisch leitende Schicht (z.B. eine Metallschicht) die auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Substratschicht angeordnet ist. Die steuerbaren Halbleiterbauelemente sind beispielsweise auf der ersten elektrisch leitenden Schicht angeordnet. Die zweite elektrisch leitende Schicht ist meistens mit der Bodenplatte verbunden, das heißt, dass diese zwischen der Bodenplatte und der isolierenden Substratschicht angeordnet ist. Die steuerbaren Halbleiterbauelemente werden beispielsweise mittels eines Sinterverfahrens auf dem Halbleitersubstrat befestigt. Dabei wird eine Verbindungsschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und den Halbleiterbauelementen angeordnet, welche die Halbleiterbauelemente fest mit dem Halbleitersubstrat verbindet.
  • Während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls erzeugen die Halbleiterbauelemente Wärme. Die Verbindungsschicht zwischen den Halbleiterbauelementen und dem Halbleitersubstrat leitet Wärme von den Halbleiterbauelementen weg zum Halbleitersubstrat hin. Die Verbindungsschicht verformt sich jedoch, wenn sie erhitzt wird. Meist sind die Temperaturen in der Mitte des Halbleiterbauelementes größer als zu den Rändern des Halbleiterbauelementes hin. Daher erwärmt sich die Verbindungsschicht ungleichmäßig. Über die gesamte Lebensdauer des Halbleitermoduls gesehen erfolgen viele Aufheiz- und Abkühlzyklen. Dies kann die Lebensdauer des Halbleitermoduls drastisch reduzieren, da die Verbindungsschicht mit der Zeit Beschädigungen aufweisen kann und dadurch die korrekte Funktion des Halbleiterbauelementes nicht mehr sichergestellt werden kann.
  • Es besteht daher Bedarf an einer Halbleitersubstrat-Anordnung mit erhöhter Lebensdauer, an einer Verbindungsschicht mit erhöhter Lebensdauer und an einem Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsschicht.
  • Eine Halbleitersubstrat-Anordnung weist ein Halbleitersubstrat mit einer dielektrisch isolierenden Schicht, einer ersten elektrisch leitenden Schicht auf einer ersten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht auf, wobei die dielektrisch isolierende Schicht zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist. Die Anordnung weist weiterhin einen Halbleiterkörper, der auf der ersten elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist, und eine Verbindungsschicht auf, die zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht und dem Halbleiterkörper angeordnet ist und eine stabile, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Halbleitersubstrat bildet. Die Verbindungsschicht weist ein Sintermaterial mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein Additiv mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei ist der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient. Die Verbindungsschicht mit dem Sintermaterial und dem Additiv weist einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.
  • Eine Verbindungsschicht weist ein Sintermaterial mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein Additiv mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei ist der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient. Die Verbindungsschicht mit dem Sintermaterial und dem Additiv weist einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht weist das Mischen eines Sintermaterials mit einem Additiv auf, wobei das Sintermaterial einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Additiv einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient. Das Verfahren weist weiterhin das Herstellen einer Paste durch Zugeben eines Lösungsmittels, wobei das Sintermaterial und das Additiv jeweils gleichmäßig in der Paste verteilt sind, das Aufbringen der Paste auf ein Halbleitersubstrat, das Aufbringen eines Halbleiterkörpers auf die Paste derart, dass die Paste zwischen dem Halbleiterkörper und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist und das Bilden der Verbindungsschicht durch Erwärmen der Paste und zumindest teilweises Entfernen des Lösungsmittels aus der Paste auf.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Die Darstellung in den Figuren ist nicht maßstäblich.
    • 1 , umfassend die 1A - 1C, zeigt Querschnitte durch eine Halbleitersubstrat-Anordnung;
    • 2 , umfassend die 2A und 2B, zeigt Querschnitte einer Halbleitersubstrat-Anordnung in einem Ruhezustand und im Betrieb;
    • 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleitersubstrat-Anordnung; und
    • 4 , umfassend die 4A - 4C, zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht gemäß einem Beispiel.
  • In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird anhand konkreter Beispiele veranschaulicht, wie die Erfindung realisiert werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele, sofern nicht anderweitig erwähnt, miteinander kombiniert werden können. Sofern bestimmte Elemente als „erstes Element“, „zweites Element“,... oder dergleichen bezeichnet werden, dient die Angabe „erstes“, „zweites“,... lediglich dazu, verschiedene Elemente voneinander zu unterscheiden. Eine Reihenfolge oder Aufzählung ist mit dieser Angabe nicht verbunden. Das bedeutet, dass beispielsweise ein „zweites Element“ auch dann vorhanden sein kann, wenn kein „erstes Element“ vorhanden ist.
  • Bezugnehmend auf 1A ist ein Halbleitersubstrat 10 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 10 weist eine dielektrische Isolationsschicht 11, eine (strukturierte) erste elektrisch leitende Schicht 111 und eine (strukturierte) zweite elektrisch leitende Schicht 112 auf. Die erste elektrisch leitende Schicht 111 ist auf einer ersten Seite der dielektrischen Isolationsschicht 11 angeordnet und die zweite elektrische leitende Schicht ist auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Isolationsschicht 11 angeordnet. Die dielektrische Isolationsschicht 11 ist somit zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht 111 und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 112 angeordnet.
  • Jede der ersten elektrisch leitenden Schicht 111 und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 112 kann aus einem der folgenden Materialien bestehen oder eines der folgenden Materialien aufweisen: Kupfer; eine Kupferlegierung; Aluminium; eine Aluminiumlegierung; jegliches andere Metall oder jegliche andere Metalllegierung welche während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls in einem festen Zustand verbleibt. Das Halbleitersubstrat 10 kann ein keramisches Substrat sein, das heißt, ein Substrat bei welchem die dielektrische Isolationsschicht 11 aus Keramik besteht. Die dielektrische Isolationsschicht 11 kann somit beispielsweise eine dünne Keramikschicht sein. Die Keramik der dielektrischen Isolationsschicht 11 kann beispielsweise aus einem der folgenden Materialien bestehen oder eines der folgenden Materialien aufweisen: Aluminiumoxid; Aluminiumnitrid; Zirkoniumoxid; Siliziumnitrid; Bornitrid; oder jegliche andere Keramik. Beispielsweise kann die dielektrische Isolationsschicht 11 aus einem der folgenden Materialien bestehen oder eines der folgenden Materialien aufweisen: Al2O3, AlN, oder Si3N4. Das Halbleitersubstrat 10 kann beispielsweise ein so genanntes Direct Copper Bonding (DCB) Substrat, ein Direct Aluminium Bonding (DAB) Substrat, oder ein Active Metal Brazing (AMB) Substrat sein. Das Halbleitersubstrat 10 kann beispielsweise auch eine herkömmliche Leiterplatte (PCB, printed circuit board) sein mit einer nicht-keramischen dielektrischen Isolationsschicht 11. Eine nicht-keramische dielektrische Isolationsschicht 11 kann beispielsweise aus einem gehärteten Harz bestehen oder ein gehärtetes Harz aufweisen.
  • Bezugnehmend auf 1C können ein oder mehrere Halbleiterkörper 30 auf dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet sein. Jeder der Halbleiterkörper 30 auf dem Halbleitersubstrat 10 kann eine Diode, einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), einen JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor), einen HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), oder jegliches andere geeignete steuerbare Halbleiterbauelement aufweisen. Der eine oder die mehreren Halbleiterkörper 30 können auf dem Halbleitersubstrat 10 eine Halbleiteranordnung bilden. In 1C ist beispielhaft lediglich ein Halbleiterkörper 30 dargestellt.
  • Die in 1 dargestellte erste elektrisch leitende Schicht 111 ist eine durchgehende Schicht. Die erste elektrisch leitende Schicht 111 kann jedoch beispielsweise auch eine strukturierte Schicht sein, wenn mehr als ein Halbleiterkörper 30 auf dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet ist. „Strukturierte Schicht“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die erste elektrisch leitende Schicht 111 keine durchgehende Schicht ist, sondern Unterbrechungen zwischen verschiedenen Bereichen der Schicht aufweist. Verschiedene Halbleiterkörper 30 können auf dem selben Bereich oder auf unterschiedlichen Bereichen der ersten elektrisch leitenden Schicht 111 angeordnet sein. Die verschiedenen Bereiche der ersten elektrisch leitenden Schicht 111 können entweder keine elektrische Verbindung untereinander aufweisen oder können, z.B. mittels Bonddrähten, elektrisch miteinander verbunden sein. Jeder der Halbleiterkörper 30 kann mit dem Halbleitersubstrat 10 mittels einer elektrisch leitenden Verbindungsschicht 20 elektrisch und mechanisch verbunden sein. 1B zeigt beispielhaft ein Halbleitersubstrat 10 mit einer darauf angeordneten Verbindungsschicht 20. Die elektrisch leitende Verbindungsschicht 20 kann grundsätzlich eine Lötschicht, eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Klebstoff oder eine Schicht aus einem gesinterten Metallpulver sein, z.B. einem gesinterten Silberpulver.
  • Um die Halbleiterkörper 30 mit dem Halbleitersubstrat 10 zu verbinden, werden die Halbleiterkörper 30 auf der Oberfläche (obere Oberfläche) des Halbleitersubstrates 10 angeordnet, wobei die Verbindungsschicht 20 zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und dem Halbleiterkörper 30 angeordnet ist. Der Halbleiterkörper 30 wird dann auf das Halbleitersubstrat 10 und die dazwischen liegende Verbindungsschicht 20 gepresst. Dies ist in 1C mittels der dicken Pfeile angedeutet. Die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 ist eine Oberfläche der ersten elektrisch leitenden Schicht 111, welche von der dielektrischen Isolationsschicht 11 abgewandt ist. Das Halbleitersubstrat 10, die Halbleiterkörper 30 und die zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und den Halbleiterkörpern 30 angeordnete Verbindungsschicht 20 können während des Montageprozesses (während Druck auf die Halbleiterkörper 30 ausgeübt wird) zusätzlich Wärme ausgesetzt sein. Der Montageprozess kann beispielsweise ein Sinterprozess sein. Die Temperatur kann während dem Montageprozess beispielsweise mehr als 200 °C, mehr als 300 °C, oder mehr als 400 °C betragen. Die Halbleiterkörper 30 sind dann permanent mit dem Halbleitersubstrat 10 verbunden und die Verbindungsschicht 20 bildet eine stabile stoffschlüssige Verbindung zwischen den Halbleiterkörpern 30 und dem Halbleitersubstrat 10.
  • Unterschiedliche Komponenten weisen meist unterschiedliche Materialien auf, wodurch diese sich unterschiedlich ausdehnen wenn sie sich erwärmen. Beispielsweise weist Silizium einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, engl. coefficient of thermal expansion) von etwa 3ppm/K auf. Kupfer weist beispielsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von etwa 17ppm/K auf und Verbindungsschichten aus Silberpaste können einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 21ppm/K aufweisen. Silizium ist meist ein wesentlicher Bestandteil von Halbleiterbauelementen und Kupfer bildet häufig die erste elektrisch leitende Schicht 111. Die Verbindungsschichten 20 zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und den Halbleiterkörpern 30 sind aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verschiedenen zu verbindenden Komponenten einem erheblichen Stress ausgesetzt, wodurch die Verbindungsschichten 20 beschädigt werden können, so dass die Halbleiterkörper 30 letztendlich ausfallen können da keine zuverlässige elektrische Verbindung zu anderen Komponenten hergestellt werden kann. Bei der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung kann grundsätzlich in zwei verschiedene Fälle unterschieden werden, nämlich aktive und passive Lastzyklen.
  • Während eines passiven Lastzyklus erwärmen sich die Halbleiterkörper 30 und Verbindungsschichten 20 im Wesentlichen gleichmäßig. Auch die Abkühlung erfolgt im Wesentlichen gleichmäßig. Das heißt, die Temperaturverteilung in der Verbindungsschicht 20 ist im Wesentlichen homogen. Die unterschiedliche Ausdehnung der verschiedenen Komponenten hängt in diesem Fall lediglich von den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ab. Auf die Verbindungsschichten 20 wird im Fall passiver Lastzyklen Stress besonders in den Bereichen ausgeübt, welche unterhalb der Randbereiche der Halbleiterkörper 30 angeordnet sind.
  • Von den passiven Lastzyklen zu unterscheiden sind aktive Lastzyklen. Während des Betriebs der Halbleiteranordnung mit dem einen oder den mehreren Halbleiterkörpern 30, erzeugen die Halbleiterkörper 30 Wärme. Insbesondere resultiert ein Laststrom IL durch einen Halbleiterkörper 30 in einer Erwärmung des entsprechenden Halbleiterkörpers 30 (Leitungs- und Spannungsverluste). Gleichzeitig wird Wärme meist über einen Kühlkörper abgeführt. Während der Halbleiterkörper 30 ausgeschaltet ist, wie auch während solchen Zeiträumen kurz nach dem Einschalten des Halbleiterkörpers 30, ist die Temperaturverteilung über dem Halbleiterkörper 30 im Wesentlichen gleichmäßig, wie in 2A beispielhaft dargestellt ist. Während des Betriebs des Halbleiterkörpers 30 ist jedoch die Temperatur in der Mitte des Halbleiterkörpers 30 meist höher als in den Randbereichen des Halbleiterkörpers 30. Dies ist beispielhaft in 2B dargestellt. Die Temperaturverteilung hängt in der Regel von der Dauer des Stromflusses durch den Halbleiterkörper 30 ab. Normalerweise sind die Temperaturen höher, je länger der Stromfluss durch den Halbleiterkörper 30 andauert. Im Fall aktiver Lastzyklen hängt die unterschiedliche Ausdehnung der Komponenten daher einerseits von den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE und andererseits von der durch den Laststrom bedingten Temperaturverteilung im Verbindungsbereich ab.
  • Wenn die Verbindungsschicht 20, wie beispielsweise eine Sinterschicht, erwärmt wird, dehnt diese sich zu einem gewissen Grad aus. Sinterschichten werden meist zunächst als Paste bereitgestellt. Die Paste kann organische Substanzen aufweisen wie beispielsweise Terpineol oder Alkohol. Grundsätzlich kann die Paste jedes geeignete Lösungsmittel aufweisen. Partikel, wie beispielsweise Metallpartikel, sind in der organischen Substanz dispergiert. Die Metallpartikel können beispielsweise wenigstens eines aufweisen von Ag, Cu, und Au. Die Metallpartikel können beispielsweise einen durchschnittlichen Durchmesser aufweisen von weniger als 30µm, weniger als 10µm, weniger als 5µm, weniger als 1µm oder weniger als 0,5µm. Die Metallpartikel können beispielsweise einen durchschnittlichen Durchmesser aufweisen von mehr als 0,1µm, mehr als 0,5µm, mehr als 1µm, mehr als 2µm oder mehr als 5µm. Die Paste kann beispielsweise in flüssiger, zähflüssiger oder wachsartiger Form vorliegen.
  • Die Paste wird auf das Halbleitersubstrat 10 aufgebracht, der Halbleiterkörper 30 wird auf die Paste gesetzt und angedrückt. Durch Erhitzen der Komponenten wird das Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft. Dabei kann der Halbleiterkörper 30 entweder direkt auf die Paste gesetzt werden, noch bevor Flüssigkeit aus der Paste entfernt wurde. Es ist jedoch auch möglich, zunächst das Lösungsmittel aus der Paste ganz oder teilweise zu entfernen und den Halbleiterkörper 30 anschließend auf die Paste zu setzen. Es bildet sich nach dem Aufsetzen des Halbleiterkörpers 30 eine poröse Verbindungsschicht 20 zwischen dem Halbleiterkörper 30 und dem Halbleitersubstrat 10, beispielsweise durch das Ausüben von Druck auf die Paste mittels dem Halbleiterkörper 30. Ob vor dem Aufsetzen des Halbleiterkörpers 30 auf die Paste das Lösungsmittel nicht, teilweise oder ganz aus der Paste entfernt wurde, spielt dabei bei dem eigentlichen Sinterschritt (Aufbringen des Halbleiterkörpers 30 und Ausüben von Druck auf die Paste und, optional, weiteres Erwärmen der Paste) keine Rolle. Da im Betrieb die Temperaturen in der Mitte des Halbleiterkörpers 30 größer sind als in den Randbereichen, dehnt sich die Verbindungsschicht 20 in Bereichen unterhalb der Mitte des Halbleiterkörpers 30 mehr aus als unterhalb der Randbereiche. Die Ausdehnung der Verbindungsschicht 20 ist in 2B schematisch dargestellt und durch die in der Figur dargestellten Pfeile weiter verdeutlicht. Der thermomechanische Stress auf die Verbindungsschicht 20 ist daher meistens relativ groß.
  • Wie oben bereits beschrieben weist die Verbindungsschicht 20 meist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE auf, welcher höher ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE des Halbleitersubstrats 10 und des Halbleiterkörpers 30. Über ihre gesamte Lebensdauer werden die Halbleiterkörper 30 sehr oft erwärmt und wieder abgekühlt. Diese zyklische Erwärmung und Abkühlung der Halbleiterkörper 30 und der darunter liegenden Verbindungsschicht 20 resultiert in einer mechanischen Ermüdung der Verbindungsschicht 20, insbesondere in einer mechanischen Ermüdung welche von dem Bereich unterhalb der Mitte des Halbleiterkörpers 30 ausgeht. Bezugnehmend auf 3 ist eine solche beginnende Ermüdung der Verbindungsschicht 20 beispielhaft dargestellt. Die Ermüdung kann, wie in 3 dargestellt, in vertikalen Rissen oder Brüchen 40 resultieren. Solche Risse oder Brüche 40 können die thermische und elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsschicht erheblich einschränken was letztendlich zu einem Ausfall des auf der Verbindungsschicht 20 angeordneten Halbleiterkörpers 30 und somit der gesamten Halbleiteranordnung resultieren kann.
  • Um die Lebensdauer der Verbindungsschichten 20 und somit der gesamten Halbleiteranordnung zu verbessern, wird gemäß einem Beispiel der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE bekannter Verbindungsschichten 20 verringert. Ein optimierter thermischer Ausdehnungskoeffizient CTE bewirkt, dass der mechanische Stress in der Verbindungsschicht 20 reduziert wird. Sowohl für passive als auch für aktive Lastzyklen kann eine möglichst geringe mechanische Last erreicht werden, welche auf die Verbindungsschicht 20 wirkt.
  • Eine Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der Verbindungsschicht 20 kann beispielsweise durch die Zugabe von Additiven erreicht werden. Diese Additive werden zu den Sinterpartikeln gegeben und darin verteilt. Anschließend kann ein Lösungsmittel zugegeben werden und die Sinterpartikel sowie die Additive A darin verteilt werden, so dass eine flüssige, zähflüssige oder wachsartige Paste 22 entsteht. Dies ist beispielhaft in 4A dargestellt. 4A zeigt schematisch die Paste 22 in welcher die Additive A gleichmäßig verteilt sind. Die Paste 22 kann dann, wie in 4B beispielhaft dargestellt, auf dem Halbleitersubstrat 10 aufgebracht werden. Die Paste 22 liegt dabei zunächst noch in flüssiger, zähflüssiger oder wachsartiger Form vor. Bezugnehmend auf 4C kann ein Halbleiterkörper 30 auf die Paste 22 gesetzt werden. Es kann, wie oben bereits beschrieben, anschließend ein Trockenschritt folgen, in dem die in der Paste 22 vorhandene Flüssigkeit ganz oder zumindest teilweise entfernt wird. Wie in 4C dargestellt, ist das Additiv A auch in der ausgehärteten Verbindungsschicht 20 gleichmäßig verteilt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE einer solchen ein Additiv A aufweisenden Verbindungsschicht 20 unterscheidet sich von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE einer Verbindungsschicht 20 ohne Additiv A.
  • Die Paste 22 weist Sinterpartikel auf. Die Sinterpartikel können beispielsweise eines aufweisen von Ag, Au und Cu. Die Sinterpartikel weisen beispielsweise eine Partikelverteilung D50 auf von etwa 1nm bis 20µm oder weniger. D50 bedeutet dabei, dass 50% der Sinterpartikel eine Größe von zwischen 1nm und 20µm oder weniger aufweisen. Die restlichen 50% der Sinterpartikel sind in der Regel größer. Die Paste 22 weist weiterhin ein geeignetes Lösungsmittel auf in welchem die Sinterpartikel gleichmäßig verteilt sind.
  • Die Additive A können beispielsweise in einer Menge von bis zu 30 Gew% oder bis zu 40 Gew% zu der Paste 22 gegeben werden. Da das Lösungsmittel beim Ausbilden der Verbindungsschicht 20 zumindest teilweise entfernt wird, kann sich der Anteil der Additive A in der fertigen Verbindungsschicht 20 geringfügig von den angegebenen Werten unterscheiden. Grundsätzlich kann das Additiv A jedoch auch in der gehärteten Verbindungsschicht eine Menge von bis zu 30 Gew% oder bis zu 40 Gew% aufweisen. Bei der Zugabe der Additive A sollte eine Agglomeratbildung verhindert werden. Die thermische Leitfähigkeit der Additive A kann beispielsweise bei wenigstens 10W/mK liegen. Die Additive A können eine Partikelverteilung D50 von etwa 1nm bis 20µm oder weniger aufweisen. Das heißt, 50% der Additive A weisen eine Partikelgröße von zwischen 1nm und 20µm oder weniger auf. Die Additive A bilden gemäß einem Beispiel keine Legierungen mit den Sinterpartikeln (z.B. Silber, Kupfer oder andere Edelmetalle). Beispielsweise sind die Additive A temperaturstabil.
  • Die Additive A können beispielsweise eines aufweisen von SiC, BN, TiC, Si3N4, B4C, Graphit oder Diamant. Grundsätzlich sind jedoch jegliche andere Additive A geeignet, welche in einer Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der Paste 22 resultieren. Eine Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der Paste 22 kann dadurch erreicht werden, dass sich der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Additive A von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der verwendeten Sinterpartikel unterscheidet. Beispielsweise kann der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Paste 22 reduziert werden, so dass ein Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der zu verbindenden Komponenten (z.B. Halbleitersubstrat 10 und Halbleiterkörper 30) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der Verbindungsschicht 20 verringert wird. Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Verbindungsschicht 20 kann trotz Zugabe der Additive A weiterhin größer sein als die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Komponenten. Es ist jedoch auch möglich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht 20 mit dem Additiv A zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der beiden zu verbindenden Komponenten liegt.
  • Beispielsweise sollen ein Halbleitersubstrat 10 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 17ppm/K und ein Halbleiterkörper 30 mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von 3ppm/k miteinander verbunden werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient einer herkömmlichen Verbindungschicht 20 aus Silberpartikeln liegt bei etwa 21ppm/K. Durch die Zugabe von Additiven A zu der Paste 22 und somit auch zur Verbindungsschicht 20, kann der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Verbindungsschicht 20 beispielsweise auf weniger als 21ppm/K verringert werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Verbindungsschicht 20 mit Additiven A kann beispielsweise zwischen 17ppm/K und 21ppm/K liegen. Es ist jedoch auch möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizient CTE auf weniger als 17ppm/K zu verringern, beispielsweise auf zwischen 3ppm/K und 17ppm/K. Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE der Verbindungsschicht 20 verringert wird, kann die Lebensdauer der Verbindungsschicht 20 zunächst verlängert werden. Bei einer zu starken Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE durch Zugabe einer sehr großen Menge an Additiven A, können sich die mechanischen Eigenschaften der Verbindungsschicht 20 jedoch wieder verschlechtern. Durch die Zugabe zu vieler Additive A kann die ausgehärtete Verbindungsschicht 20 zwar einen optimalen (niedrigen) thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE, dabei jedoch beispielsweise eine zu hohe Porosität aufweisen.
  • Um den monometallischen Charakter der Verbindungsschicht 20 beizubehalten, kann das Additiv A beispielsweise keine oder nur eine geringe Löslichkeit in dem Matrixmaterial (Sintermaterial) aufweisen. Wie bereits beschrieben, kann beispielsweise die Legierungsbildung zwischen dem Sintermaterial und dem Additiv A verhindert werden. Um ungewollte Phasen und Legierungen zu verhindern, kann die Paste 22 beispielsweise eine hohe thermische und chemische Stabilität aufweisen. Um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE der Paste 22 mit zugegebenen Additiven A im Vergleich zu der Paste 22 ohne zusätzliche Additive A zu verringern, können die Additive A beispielsweise einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE aufweisen als das Sintermaterial. Die Viskosität der Paste 22 kann beispielsweise im Bereich von 3 bis 20PA*s (bei 100/s) oder im Bereich von 15 bis 35 PA*s (bei 10/s) liegen.

Claims (12)

  1. Halbleitersubstrat-Anordnung mit: einem Halbleitersubstrat (10) mit einer dielektrisch isolierenden Schicht (11), einer ersten elektrisch leitenden Schicht (111) auf einer ersten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht (11) und einer zweiten elektrisch leitenden Schicht (112) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der dielektrisch isolierenden Schicht (11), wobei die dielektrisch isolierende Schicht (11) zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (111) und der zweiten elektrisch leitenden Schicht (112) angeordnet ist; einem Halbleiterkörper (30), der auf der ersten elektrisch leitenden Schicht (111) angeordnet ist; und einer Verbindungsschicht (20), die zwischen der ersten elektrisch leitenden Schicht (111) und dem Halbleiterkörper (30) angeordnet ist und eine stabile, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper (30) und dem Halbleitersubstrat (10) bildet, wobei die Verbindungsschicht (20) ein Sintermaterial mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein Additiv (A) mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient, und wobei die Verbindungsschicht (20) mit dem Sintermaterial und dem Additiv (A) einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.
  2. Halbleitersubstrat-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterkörper (30) einen vierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der erste, der zweite und der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient; und die erste elektrisch leitende Schicht (111) einen fünften thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der vierte thermische Ausdehnungskoeffizient, kleiner als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient und größer oder kleiner als der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient ist.
  3. Halbleitersubstrat-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sintermaterial wenigstens eines aufweist von Silber, Kupfer, Gold oder ein anderes Edelmetall.
  4. Halbleitersubstrat-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Additiv (A) wenigstens eines aufweist von SiC, BN, TiC, Si3N4, B4C, Graphit und Diamant.
  5. Halbleitersubstrat-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Additiv (A) eine Menge von bis zu 30 Gew% oder bis zu 40 Gew% in der Verbindungsschicht (20) aufweist.
  6. Halbleitersubstrat-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sintermaterial Partikel aufweist und 50% der Sinterpartikel eine Größe von zwischen 1nm und 20µm oder weniger aufweisen.
  7. Halbleitersubstrat-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Additiv (A) Partikel aufweist und 50% der Additiv-Partikel eine Größe von zwischen 1nm und 20µm oder weniger aufweisen.
  8. Verbindungsschicht (20) die ein Sintermaterial mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein Additiv (A) mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient, und wobei die Verbindungsschicht (20) mit dem Sintermaterial und dem Additiv (A) einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient.
  9. Verbindungsschicht (20) nach Anspruch 8, wobei die Verbindungsschicht (20) dazu ausgebildet ist ein Halbleitersubstrat (10) mit wenigstens einem Halbleiterkörper (30) zu verbinden.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht (20), wobei das Verfahren aufweist: Mischen eines Sintermaterials mit einem Additiv (A), wobei das Sintermaterial einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Additiv (A) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist der kleiner ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient; Herstellen einer Paste (22) durch Zugeben eines Lösungsmittels, wobei das Sintermaterial und das Additiv (A) jeweils gleichmäßig in der Paste (22) verteilt sind; Aufbringen der Paste (22) auf ein Halbleitersubstrat (10); Aufbringen eines Halbleiterkörpers (30) auf die Paste (22) derart, dass die Paste (22) zwischen dem Halbleiterkörper (30) und dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist; Bilden der Verbindungsschicht (20) durch Erwärmen der Paste (22) und zumindest teilweises Entfernen des Lösungsmittels aus der Paste (22).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bildens der Verbindungsschicht (20) das Ausüben von Druck auf die Paste (22) und das Halbleitersubstrat (10) durch den Halbleiterkörper (30) aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Paste (22) auf eine Temperatur von mehr als 200 °C, mehr als 300 °C oder mehr als 400 °C erwärmt wird.
DE102017126689.5A 2017-11-14 2017-11-14 Halbleitersubstrat-Anordnung, Verbindungsschicht für Halbleitersubstrate und Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsschicht Ceased DE102017126689A1 (de)

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