DE1226715B

DE1226715B - Halbleiterbauelement mit einem flaechenhaft an Stromzufuehrungen angeloeteten Halbleiterelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1226715B
Application number: DEP26593A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Boettcher; Dipl-Phys Bernhard Voss; Frits Weil
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1961-02-15
Filing date: 1961-02-15
Publication date: 1966-10-13
Also published as: GB942232A; NL274757A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1226 715

Aktenzeichen: P 26593 VIII c/21

Anmeldetag: 15. Februar 1961

Auslegetag: 13. Oktober 1966

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem flächenhaft an Stromzuführungen angelöteten Halbleiterelement, ζ. Β. einen gekapselten Transistor oder eine gekapselte Diode.

Ein solches Halbleiterbauelement enthält ein Halbleiterelement, das z. B. im Falle einer einfachen Diode aus einem Halbleiterkörper und einem darauf angebrachten sperrenden Kontakt besteht. Für dieses Halbleiterelement ist es wichtig, daß es keine zu hohe Temperatur annimmt, weil bei dem Überschreiten einer gewissen Höchsttemperatur seine elektrische Wirksamkeit abnimmt oder sogar völlig verschwindet. Da nun, insbesondere bei Halbleiterbauelementen für größere Leistungen, eine Erwärmung des Halbleiterelementes durch Stromdurchgang stattfindet, ist eine möglichst gute Abführung der in dem Halbleiterelement entstandenen Wärmemenge notwendig. Diese gute Abfuhr der Wärmemenge wird z. B. dadurch erreicht, daß der Grundkörper des Halbleiterelementes an einer möglichst großen Fläche auf einen gut wärmeleitenden Träger, der beispielsweise einen Teil der Umhüllung des Halbleiterelementes bildet, aufgelötet wird. Dieser Träger kann dann z. B. zur Befestigung des Halbleiterbauelementes auf einem Chassis dienen, so daß die in dem Halbleiterelement entstandene Wärmemenge durch die Lotschicht zum Träger und von diesem auf das Chassis abgeführt wird. Wegen der großen Oberfläche des Chassis wird die Wärmemenge dann leicht an die Umgebung abgegeben. Bei diesem Vorgang bildet die Lotschicht wegen der im allgemeinen geringen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Lote einen erheblichen Teil des Wärmeleitungswiderstandes. Da das Halbleiterelement elektrisch um so höher belastbar ist, je geringer der gesamte Wärmeleitwiderstand zwischen Halbleiterelement und Umgebung ist, ist eine möglichst gute Wärmeleitung über die Lotschicht erwünscht.

Dieser geringe Wärmeleitungswiderstand der Lotschicht läßt sich ζ. Β. dadurch erreichen, daß sie möglichst dünn ausgeführt wird. Dem steht jedoch entgegen, daß die Lotschicht auch noch die Aufgabe hat, den Ausgleich thermischer Spannungen, wie sie zwischen dem Grundkörper des Halbleiterelementes und dem Träger bei der wechselnden Temperaturdifferenz dieser beiden Teile auftreten, auszugleichen. Deshalb darf also die Lotschicht eine gewisse Mindestdicke nicht unterschreiten.

Eine Überschreitung dieser Mindestschichtdicke würde zwar den Ausgleich thermischer Spannungen nicht behindern, jedoch wäre der Wärmeleitungs-Halbleiterbauelement mit einem flächenhaft an
Stromzuführungen angelöteten Halbleiterelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Bernhard Voss,
Karl-Heinz Böttcher, Hamburg;
Frits Weil, Nijmegen (Niederlande)

widerstand der Lotschicht unnötig groß. Eine ungleichmäßige Dicke der Lotschicht zwischen Grundkörper und Träger würde das Entstehen thermischer

ao Spannungen erleichtern. Die thermischen Spannungen können zur Unwirksamkeit oder sogar zur Zerstörung des Halbleiterelementes führen.

Die gleichen Schwierigkeiten, wie sie oben für die Verhältnisse von Träger und Grundkörper be-

a5 schrieben sind, treten bei Halbleiterbauelementen für größere Leistungen auch bei anderen Stromzuführungen auf, also nicht nur beim Träger, da diese Stromzuführungen alle an einer größeren Fläche mit dem Halbleiterelement verlötet sind und daher die Vermeidung eines zu großen Wärmeleitungswiderstandes und zu großer thermischer Spannungen wichtig ist.

Um diese Nachteile zu vermeiden, war es bereits bekannt (»IBM Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 2 (1960), H. 6, S. 69), bei einer Diode in der Lotschicht zwischen dem Halbleiterelement aus Silizium und der Stromzuführung ein Kupfernetz anzuordnen, das einen konstanten Abstand zwischen Stromzuführung und Halbleiterelement sicherstellt.

Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, daß durch die Verwendung von Kupfer, also eines Materials, das sich in dem verwendeten Lot löst, als Zwischenstück eine Verschlechterung der Eigenschaften des Halbleiterelementes auftreten kann. In dem Lot gelöste Kupferspuren können sich an den Berührungsstellen zwischen Kupfer, Lot und Halbleiterelement in die Oberfläche des Halbleiterelementes einlagern und dadurch dessen Leitungsmechanismus verändern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil der bekannten, einen konstanten Abstand zwischen Stromzuführung und Halbleiter-

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element sicherstellenden Zwischenstücke zu be- Hilfe der Lotschicht 10, in der sich als Zwischen-

seitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da- stücke Kugeln 12 befinden, befestigt. Von dem Kon-

durch gelöst, daß das Zwischenstück oder die Zwi- takt 8 führt ein Anschlußdraht 13, von der Hülle 14

schenstücke aus einem Stoff bestehen, der sich nicht des Halbleiterbauelementes durch den Glasfuß 15

oder nur unwesentlich in dem verwendeten Lot löst. 5 isoliert, nach außen.

Besonders gut eignen sich Molybdän, Eisen, Die F i g. 2 und 3 zeigen in vergrößertem Maßstab Silizium, Germanium oder keramische Werkstoffe. die Einzelheiten von Träger 1, Lotschicht 10 und Zweckmäßig ist der thermische Ausdehnungs- Halbleiterkörper 6. Wie die Draufsicht (Fig. 2) koeffizient des für die Zwischenstücke verwendeten zeigt, sind die Kugeln, die beispielsweise aus Stahl Stoffes dem des aufgelöteten Grundkörpers des io bestehen, unregelmäßig in der Lotschicht verteilt. Halbleiterelementes mindestens annähernd gleich. Die Kugeln können z. B. so in die Lotschicht ein-Dadurch wird vermieden, daß das Zwischenstück gebracht werden, daß nach Erwärmung des Lotes oder die Zwischenstücke selbst thermische Spannun- bis zur Verflüssigung die Kugeln in das flüssige Lot gen unerwünschter Größe in der Lotschicht hervor- gelegt werden, sodann der Halbleiterkörper aufrufen. 15 gelegt wird und gegen den Boden gedrückt wird,

Eine· besonders einfach herzustellende Form der wobei die Kugeln die Rolle der Zwischenstücke Zwischenstücke nach der Erfindung besteht darin, übernehmen, und sodann das Lot abgekühlt wird, daß das Zwischenstück oder die Zwischenstücke als Sofern nur. genügend viele Kugeln 12 in unregel-Teil der Stromzuführungen ausgebildet sind, vor- mäßiger Anordnung in dem Lot vorhanden sind, zugsweise sind das Zwischenstück oder die Zwi- 20 wird auf diese Weise der Halbleiterkörper 6 in schenstücke als Teil der Stromzuführungen durch einem überall gleichen, dem Durchmesser der Kaltverformung geformt. Kugeln entsprechenden Abstand vom Träger 1 geBestehen die Stromzuführungen aus einem Stoff, halten.

der sich in dem verwendeten.Lot zu stark löst, so Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere vorteilhafte werden die Stromzuführungen mindestens an der 25 Ausführungsform des Zwischenstückes, das in Stelle, an der der Halbleiterkörper aufgelötet wer- . diesem Falle aus einem ringförmig gebogenen Stück den soll, mit einer Schicht eines Materials bedeckt, Molybdändraht 16 besteht, der zur größeren Deutdas sich in dem verwendeten Lot nicht oder hur un- lichkeit übertrieben dick gezeichnet ist. Molybdänwesentlich löst. · draht kann z. B. dadurch in die Lotschicht einge-

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind 3° bracht werden, daß er in das für die Lötung ver-

in der Zeichnung dargestellt und werden im folgen- . wendete Plättchen Lötmaterials eingedrückt wird,

den näher beschrieben. Es zeigt Die F i g. 5 ist ein Schnitt längs der Linie 5-5 der

F i g.l eine Leistungsdiode im Schnitt, Fig. 4; in ihr ist erkennbar, wie der Halbleiter-

Fig. 2 Einzelheiten von Halbleiterelement, Lot- körper 6 durch den Molybdändraht 16 vom Träger 1 schicht und Träger der Diode nach F i g. 1 in Drauf- 35 in einem überall gleichen Abstand, der dem Durchsicht, messer des Molybdändrahtes entspricht, gehalten

Fig. 3 den Schnitt 3-3 durch die Darstellung nach wird.

F i g. 2, Das Zwischenstück besteht in der Ausführungs-

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines form entsprechend den Fig. 6 und 7 aus einem

Zwischenstückes in Draufsicht, 40 U-förmig gebogenen Draht 17 mit dreieckigem Quer-

. Fig, 5 den Schnitt 5-5 durch die Darstellung nach schnitt, wie die Draufsicht (Fig. 6) und der Schnitt

Fig. 4, (Fig. 7) längs der Linie7-7 der Fig. 6 zeigen.

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Zwi- Dieser Draht 17 ist an der Stelle 18 mit dem-

schenstückes in Draufsicht, Träger 1 z. B. durch Punktschweißung fest ver-

F i g. 7 den Schnitt 7-7 durch die Darstellung nach 45 bunden. Bei dem in üblicher Weise erfolgenden Auf-

F i g. 6, . löten des Halbleiterkörpers auf den Träger 1 über-

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform eines Zwi- nimmt dieser Draht 17 die Rolle des Zwischen-

schenstückes in Draufsicht, Stückes, wie Fig. 7 zeigt.

Fig. 9 einen Schnitt durch das Gehäuse einer Eine ähnliche Ausführungsform wie die Fig. 6

Leistungsdiode, 50 und 7 zeigt die F i g. 8 in Draufsicht. Die Zwischen-

Fig. 10 die Draufsicht auf die in Fig. 9 dar- . stücke bestehen aus zwei Drahtstücken 19, die an

gestellte Diode, den Stellen 18 mit dem Träger 1 durch Punkt-

Fig. 11 und 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel schweißung verbunden sind. Die Drahtstücke können

im Schnitt 11-11 und in Draufsicht, auch in das Lötmaterial eingebracht werden, wie es

F i g. 13 und 14 ein Werkzeug in Draufsicht und 55 z. B. oben für den ringförmigen Molybdändraht beSeitenansicht und schrieben ist. Selbstverständlich können auch mehr

Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer als zwei Drahtstücke verwendet werden. Werden nur

Leistungsdiode im Schnitt. zwei Drahtstücke verwendet, so dürfen diese natür-

Die gewählte Darstellung ist nicht maßstäblich, lieh nicht beide auf derselben Geraden angeordnet

insbesondere ist die Dicke der Lotschicht über- 60 sein.

trieben groß dargestellt, um Einzelheiten deutlicher Den Träger 1 eines Halbleiterelementes, der in

erkennbar zu machen. diesem Falle gleichzeitig die Hülle bildet, zeigt

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Leistungsdiode. Fig. 9 im Schnitt 9-9 der Draufsicht (Fig. 10). Der

Sie besteht aus einem Träger 1, an dem eine Be- Boden 20 des Trägers 1 ist so ausgebildet, daß vier

festigungsschraube 2 vorgesehen ist. Auf diesem 65 Zwischenstücke 21 für Einhaltung des Abstandes

Träger 1 ist das Halbleiterelement 4, das in der zwischen Träger 1 und dem (nicht gezeichneten)

Fig. 1 als Diode mit dem Halbleiterkörper6 und Halbleiterelement sorgen. Sofern der Träger aus

dem gleichrichtenden Kontakte dargestellt ist, mit einem im Lötmaterial stark löslichen Stoff besteht,

so kann der Träger, um die durch die Auflösung der Zwischenstücke hervorgerufene Änderung ihrer geometrischen Abmessungen zu verhindern oder mindestens zu vermindern, ganz oder zumindest an der Stelle der Lötung mit ihrer Schicht aus einem im Lötmaterial nur unwesentlich löslichen Material bedeckt werden. Dies ist in Fig. 9 durch die Linie 22 angedeutet. Die Schicht kann z. B. aus elektrolytisch aufgebrachtem Silber bestehen.

Die Zwischenstücke können entsprechend der Ausführungsform nach den F i g. 9 und 10 auch als Teil des Halbleiterkörpers ausgeführt sein.

Die vorstehende Bemerkung gilt auch für die in Fig. 11 im Schnitt 11-11 der Draufsicht 12 gezeichnete Ausführungsform. Die drei Zwischenstücke 23 sind auf dem ursprünglich ebenen Träger durch Eindrücken eines Körners auf dem Wege der Kaltverformung hergestellt. Die Fig. 14 zeigt in der Seitenansicht ein Werkzeug 24 zur Herstellung dieser Zwischenstücke. Der Durchmesser 25 entspricht dem ao Innendurchmesser der Hülle, z. B. nach F i g. 9. So wird das Werkzeug 24 bei Einführung in die Hülle auf einfache Weise zentriert. Das Werkzeug 24 trägt in einer Vertiefung 26 die drei Körner 27. Die Fig. 13 ist eine Draufsicht des Werkzeuges 24.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen betrafen die Befestigung des Halbleiterkörpers an dem Träger, der gleichzeitig als Stromzuführung dient. Bei Halbleiterbauelementen für größere Leistungen wird eine weitere Stromzuführung (oder weitere Stromzuführungen) mit verhältnismäßig großer Fläche an das Halbleiterelement gelötet werden müssen. Auch für diese Lötstelle ergeben sich die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die auf ganz ähnliche Weise, wie sie für die Lotschicht zwischen Grundkörper und Träger beschrieben wurde, umgangen werden können.

Ein Beispiel zeigt die Fig. 15, die einen Schnitt durch eine Hochleistungsdiode zeigt. Als eine Stromzuführung dient der Träger 1, die zweite Stromzuführung wird durch den Stab 28 gebildet. Das Halbleiterelement 4 besteht aus einem Grundkörper 6, der aus dem η-leitenden Teil 29 und dem durch Diffusion erzeugten p-leitenden Teil 30 besteht. In den beiden Lotschichten 10 zwischen Halbleiterelement 4 und Träger 1 bzw. Stab 28 dient je ein ringförmiges Stück Molybdändraht 16 ähnlich wie bei der Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5 als Zwischenstück. Das Halbleiterbauelement ist mit einer Vergußmasse 31 abgedichtet. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen in ihrer Bedeutung denen der Fig. 1 bis 14.

In den Figuren wurden Dioden gezeigt, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch für andere Halbleiterbauelemente, wie z. B. Transistoren, anwendbar, insbesondere auch für nach der Diffusionstechnik hergestellte Halbleiterbauelemente.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auf einfache Weise das Halbleiterelement mit den Stromzuführungen so verlötet werden kann, daß die Lotschicht eine überall gleiche oder zumindest fast gleiche vorgegebene Dicke hat.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem flächenhaft an Stromzuführungen angelöteten Halbleiterelement, bei dem in mindestens einer der eine ohmsche Verbindung herstellenden Lotschichten zwischen dem Halbleiterelement und den Stromzuführungen ein oder mehrere einen bestimmten Abstand erzwingende Zwischenstücke vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (16,17) oder die Zwischenstücke (12,19, 21, 23) aus einem Stoff bestehen, der sich nicht oder nur unwesentlich in dem verwendeten Lot löst.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (16,17) oder die Zwischenstücke (12,19, 21, 23) aus Molybdän, Eisen, Silizium, Germanium oder keramischem Werkstoff besteht bzw. bestehen.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück oder die Zwischenstücke aus ringförmig gebogenem Molybdändraht (16) besteht bzw. bestehen.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (19) aus einzelnen in das Lot eingebrachten Drahtstücken bestehen.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (17) oder die Zwischenstücke (19) an die Stromzuführungen (1,28) angeschweißt sind.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des für das Zwischenstück (16,17) oder die Zwischenstücke (12,19,21,23) verwendeten Materials dem des aufgelöteten Halbleiterkörpers (6) nahekommt.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück oder die Zwischenstücke (21,23) als Teil der Stromzuführungen (1, 28) ausgebildet sind.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück oder die Zwischenstücke (21,23) als Teil des Trägers (1) ausgebildet sind.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen (1, 28) mindestens an der Stelle, an der der Halbleiterkörper (6) aufgelötet ist, mit einer Schicht (22) eines Materials bedeckt ist, das sich in dem verwendeten Lot nicht oder nur unwesentlich löst.

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück oder die Zwischenstücke (23) als Teil der Stromzuführungen (1,28) durch Kaltverformung gebildet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 865 489;

deutsche Auslegeschrift R 13270 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 17. 5. 1956);

deutsche Auslegeschriften Nr. 1002 087,
1044281;

französische Patentschrift Nr. 1213 484;

»IBM«-Technical Disclasure Bulletin«, Bd. 2
(1960), H. 6, S. 69.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen