DE1254251B - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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Description
DEUTSCHES VfflTWS PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer: 1254 251
Aktenzeichen: A 47288 VIII c/21 g
^ 254 251 Anmeldetag: 9.Oktober 1964
Auslegetag: 16. November 1967
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einer relativ großen Halbleiterscheibe und damit
in Verbindung stehenden als Wärmesenken wirkenden Abnahmeelektroden, die mehrere metallische
draht- oder rohrförmige Elemente aufweisen.
Bei dem Herstellen eines Halbleiterbauelementes ist es allgemein notwendig, einen Aufbau zu erstellen,
der eine wirksame Wärmeleitung zu dem Wärmeableiter aufrechterhält, um so schnell und wirksam
die Wärme abzuführen, die während des Betriebes der Vorrichtung für Übertragungs- oder Translationszwecke entwickelt wird. Es ist ebenfalls notwendig,
eine Anordnung vorzusehen, durch die übermäßige mechanische Belastungen auf Grund eines unterschiedlichen
Ausdehnens und Zusammenziehens in Abhängigkeit von der Temperatur vermieden werden,
die bei den Bestandteilen der Vorrichtung auftreten, wenn dieselbe für Übertragungszwecke angewandt
wird. Derartige übermäßige mechanische Belastungen neigen dazu, die elektrische Leistung des Bauelementes
nachteilig zu beeinflussen und führen schließlich zu einem Zerstören der Lötverbindung
mit dem Halbleiterkristall. Weiterhin ist ein derartiger Kristall, da derselbe gewöhnlich in Form einer
außerordentlich dünnen Scheibe vorliegt, sehr brüchig und zerbrechlich und erfährt eine Zerstörung, wenn
derselbe erheblichen mechanischen Belastungen unterworfen wird.
Der Ausdehnungskoeffizient des Kupfers, das normalerweise als Wärmeableiter und Befestigungsanordnung
bei einer derartigen Vorrichtung angewandt wird, beläuft sich auf etwa 17,7 TpM (Teile
pro Million)/0 C. Der entsprechende Faktor für monokristallines Silizium beläuft sich z. B. auf etwa
4,6 TpM/0 C Es ergibt sich somit ein Unterschied von 0,0013 mm pro 100° C pro Zentimeter Durchmesser.
Wenn man einen Halbleiter-Gleichrichter mit großer Oberfläche und einer Verbindungsstelle (der
bis zu 1000 A oder mehr ausgelegt ist) herstellen will, würde man die größte zur Verfügung stehende monokristalline
Scheibe eines Halbleitermaterials, wie Silizium, auswählen. Diese Scheibe weist zur Zeit
einen Durchmesser von etwa 31,28 mm auf und würde für Silizium eine unterschiedliche Ausdehnung
von 0,021 mm pro 100° C bedingen. Die Lötmasse für das Verbinden des Kristalls mit den die Wärme
und den Strom leitenden Bauelementen in dem Gleichrichter würde bei einer Temperatur etwas
oberhalb 300° C aufgebracht werden, und die Verbindungsstelle sollte frei von übermäßigen Belastungen
(nach dem Verlöten) bei —65° C sein. Eshandelt Halbleiterbauelement
Anmelder:
American Machine & Foundry Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. W. Meissner und Dipl.-Ing. H. Tischer. Patentanwälte, Berlin 33, Herbertstr. 22
Als Erfinder benannt:
Thomas William Moore, Dayton, Ohio (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerikavom 11. Oktober 1963 (315 647)
sich somit insgesamt um einen Temperaturbereich von etwa 400° C Die gesamte unterschiedliche Ausdehnung
beläuft sich sodann auf etwa 0,085 mm.
Es ergibt sich somit, daß eine dünne Lötmassenschicht von z. B. 0,076 mm in dem Fall einer
massiven Anordnung nicht in der Lage ist, ein seitliches Gleiten von 0,085 mm ohne Zerbrechen des
Kristalls oder Abtrennen der Lötverbindung nach einmaligem oder mehrmaligem Temperaturwechsel
bei Benutzen der Vorrichtung durchzustehen. Wenn der Lötmassenfilm ausreichend dick gemacht wird,
so daß ein seitliches Gleiten in dieser Größenordnung durch einen plastischen Fluß möglich ist, ergibt sich
hierdurch ein ausreichend großer zusätzlicher thermischer und elektrischer Widerstand, so daß sich
ernsthafte Probleme bezüglich der Temperatur der Verbindungsstelle ergeben. Bei Halbleiterscheiben
mit derartig großen Durchmessern und für derartig große Ströme wird es ebenfalls notwendig sein, eine
Anordnung vorzusehen, die den mechanischen Belastungen widersteht, die durch die schwere Wärmesenke
aus Kupfer bei dem Betrieb der Vorrichtung auftreten sowie dieselbe von dem zerbrechlichen
Halbleiter fernhalten.
Bei vorbekannten Arbeitsweisen zum Aufbau von Halbleitern, die mit hohen Strömen betrieben werden
können, ist zwecks Vermeiden derartiger Probleme so verfahren worden, daß relativ dicke Lötmassenschichten
und/oder zwischengeordneter Aufbau aus schweren Stücken angewandt wurde, die aus Wolfram
oder Molybdän oder Legierungen derselben mit an-
709 688/31S
I 254
deren Materialien bestehen und Ausdehnungscharakteristika besitzen, die etwa bei 6 bis 7 TpM
pro Grad Celsius oder eng benachbart zu denjenigen des Siliziums liegen und die zwischen dem Halbleiterkristall
und der Wärmesenke aus Kupfer angeordnet sind. Dicke Lötmasse weist schlechte Wärmeleitfähigkeit
auf und ist der Wärmeermüdung unterworfen. Molybdän und Wolfram sind relativ kostspielig
und besitzen begrenzte Wärmeleitfähigkeit. Somit stellt deren Anwendung bei Halbleitern nicht
nur ein wichtiges Kostenproblem dar, sondern führt auch zu einer relativ unzweckmäßigen elektrischen
und Wärmeschranke. Die Ausdehnungseigenschaften derartiger Anordnungen nach dem Stand der Technik
stellen bestenfalls einen Kompromiß dar, und bei Zunahme der Größe der Halbleitervorrichtung werden
dieselben immer gravierender. Weiterhin sind derartige Hilfsmittel nur in Halbleitervorrichtungen
mit begrenzter Stromdichteleistung wirksam. Anordnungen dieser Art (österreichische Patentschrift
222227), die mit Wolfram oder Molybdän oder Legierungen derselben aufgebaut sind, eignen sich nur
für Halbleiterbauelemente, die relativ geringen elektrischen und somit mechanisch-thermischen Belastungen
unterworfen sind, und sind weiterhin mit as dem Nachteil verbunden, daß die genannten Metalle
relativ kostspielig sind und die Herstellung relativ verwickelt ist, so daß sich ein erheblicher Prozentsatz
an Ausschuß ergibt.
Es ist weiterhin bekanntgeworden (französische Patentschrift 1 213 484) Stangen oder Rohre geringen
Durchmessers für die Verbindung mit den beiden Seiten der Halbleiterscheibe anzuwenden. Diese
technische Lösung konnte jedoch auch nicht befriedigen, da ein einwandfreies Arbeiten innerhalb eines
größeren Temperaturbereiches hierdurch nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt nun die allgemeine Aufgabe zugrunde, die mit dem angegebenen Stand der Technik
verbundenen Nachteile auszuräumen und insbesondere ein Halbleiterbauelement der angegebenen
Art zu schaffen, das optimale Arbeitscharakteristika besitzt und innerhalb eines großen Temperaturbereiches
betrieben werden kann, ohne daß die Gefahr des Auftretens mechanischer Belastungen und
der Zerstörung gegeben ist.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe
mit den wärmeabführenden Abnahmeelektroden durch eine Vielzahl von dünnen Einzeldrähten
in Form von Drahtbündeln über Lötverbindungen verbunden ist.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß die Wärmesenken und die Verbindungsdrähte aus Kupfer bestehen, die Drähte in Form von
Scheiben aus zusammengedrückten Drahtbündeln vorliegen, die mit Umfangsbändern versehen sind,
wobei die Länge der Drähte und die Abmessungen der Wärmesenken in einem derartigen Verhältnis
zueinander stehen, daß die elektrischen Daten des Halbleiters durch Erwärmen praktisch nicht verändert
werden. Es erweist sich als vorteilhaft, daß die Enden der Drähte an den Wärmesenken und dem
Halbleiter vermittels einer Lötmasse hohen Bleigehaltes befestigt sind.
Bevorzugt ist es, daß die Kupferdrähte einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,17 mm
besitzen.
Vermittels des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist es möglich, mit wesentlich höheren
Stromdichten als nach dem Stand der Technik zu arbeiten. Weiterhin gelingt es, die auftretende Wärme
schnell und sicher abzuleiten sowie die durch die verschiedenen Temperaturen bedingten Vorgänge des
Ausdehnens und Zusammenziehens der einzelnen Bauelemente so aufzufangen, daß keine mechanischen
Belastungen auftreten.
Man wendet dünne Scheiben eines zusammengedrückten Kupferdrahtbündels an, die zwischen
dem Halbleiterkristall und Blöcken aus Kupfer eingesetzt werden, die den Wärmeableiter darstellen,
und der elektrischen Verbindungsanordnung, wobei die Scheiben mit dem Kristall und den Kupferblöcken
durch eine dünne Lötmassenschicht verbunden sind, die hierauf bei hoher Temperatur und vorzugsweise
in einem Wasserstoffofen aufgebracht wird. Die Kupferdrähte besitzen gute Wärmeleitfähigkeit in
ihrer Liegerichtung und sind klein genug, um keine Probleme bezüglich unterschiedlicher Ausdehnung
bei schwankenden Temperaturen zu verursachen, die bei der Benutzung der Vorrichtungen zum Ausbilden
mechanischer Belastungen führen könnten und somit eine Verringerung der elektrischen Leistungsfähigkeit
und schließlich eine Zerstörung der Lötverbindung bedingen würden. Die Drähte können voroxydiert,
beschichtet oder in anderer Weise so geschützt sein, daß die Lötmassenverbindung lediglich auf die Stirnflächen
beschränkt wird.
Die Dicke der Scheiben wird so gewählt, daß eine winkelförmige Bewegung der äußeren Drähte in denselben
nicht zu einer wesentlichen Veränderung der Dicke derselben führt. Auf Grund dieser Merkmale
ergeben sich wirksame Halbleitervorrichtungen, die in der Lage sind bei höheren Stromdichten zu
arbeiten, als dies bisher für möglich erachtet wurde.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
F i g. 1 ist eine senkrechte Vorderansicht einer Anordnung übereinander angeordneter Bestandteile des
Halbleiters nach der Erfindung, und zwar vor dem Verlöten oder Hartverlöten in einem Wasserstoff of en;
F i g. 2 ist eine Ansicht im Querschnitt der Umrißform eines Bündels paralleler Kupferdrähte, wie es
zum Herstellen der Scheiben angewandt wird, die zwischen dem Halbleiterkristall und jedem Kupferblock
eingeführt wird, der den Wärmeableiter bildet, sowie der elektrischen Befestigung in dem Halbleiter
in der Fig. 1, und zwar vor dem Umwickeln, dem Zusammendrücken und dem Zerschneiden;
Fig. 3 zeigt im Querschnitt die Umrißform des Drahtbündels nach der F i g. 2 nach dem Zusammendrücken
und Umwickeln;
Fig. 4 ist eine auseinandergezogene Vorderansicht eines Teils einer Scheibe des zusammengedrückten
Bündels der Kupferdrähte, die mit dem Halbleiterkristall und einem der den Wärmeableiter
bildenden Kupferblöcke verbunden ist, und zwar nach dem Verlöten bzw. Hartverlöten, wobei die vorübergehende
Umwicklung entfernt ist;
Fig. 5 und 6 sind eine teilweise im Schnitt ausgeführte Vorderansicht und eine Draufsicht auf einen
typischen erfindungsgemäß hergestellten Halbleiter-Gleichrichter.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Halbleitervorrichtungen besteht der erste Arbeitsschritt
darin, ein Bündel paralleler Kupferdrahtleiter auszu-
wählen, die ζ. Β. einen Durchmesser von etwa 0,127 bis 0,153 cm aufweisen können. Diese Leiter sind
einzeln voroxydiert, beschichtet oder in anderer Weise mit einem Überzug versehen worden, um so
eine Isolation zu ergeben, durch die ein Benetzen durch die Lötmasse und ein Verschweißen in der
Kälte der zylinderförmigen Außenflächen in dem fertigen Halbleiter verhindert wird. Wahlweise können
auch Leiter in Form von Silberdraht angewandt werden. Die Umrißform des Drahtes bei einem derartigen
Bündel wird durch die Querschnittsansicht nach der F i g. 2 wiedergegeben.
Das ausgewählte Drahtbündel wird mit einem dünnen, um den Umfang herumgeführten Metallband
versehen, das in Form eines dünnen Kupferrohrs oder Rohrs aus anderem geeignetem Metall bestehen
kann und dazu dient, als vorübergehende oder bleibende Umkleidung zu dienen und die Drähte bei den
sich anschließenden Arbeitsgängen zusammenzuhalten. Das zusammengebundene Drahtbündel wird
sodann in einer geeigneten Presse zwecks Aufhebens zwischen den Drähten vorliegenden Hohlräumen, wie
in der Fig. 3 gezeigt, zusammengedrückt. Das zusammengedrückte Drahtbündel wird sodann in dünne
Scheiben in einer Richtung senkrecht zu der Länge des Drahtes oder Bündels zerschnitten. Die Dicke der
Scheiben sollte proportional dem Durchmesser des in dem Halbleiter angewandten Halbleiterkristalls und
dergestalt sein, daß die winkelförmige Bewegung der äußeren Drähte nicht zu einer wesentlichen Dickenveränderung
der Scheibe führt.
Wie in der F i g. 1 gezeigt, werden die Scheiben 1,2 des zusammengedrückten Drahtbündels miteinander
durch Umfangsbänder 3 zusammengebunden sowie zwischen den oberen und unteren Oberflächen der
Silizium- oder anderer Halbleiterkristallscheibe 4 angeordnet, die in der weiter unten beschriebenen
Weise hergestellt wird, und jeder der Kupferblöcke 5 und 6 stellt den Wärmeableiter und die elektrischen
Verbindungsabschnitte der Vorrichtung dar. Die Halbleiterkristallscheibe 4 weist bei der hier wiedergegebenen
Vorrichtung einen Durchmesser von 31,8 mm auf, und jeder der Kupferblöcke 5 und 6
weist vorschlagsweise einen Durchmesser von angenähert 38,1 mm auf.
Die Oberflächen der Silizium- oder anderer Halbleiterscheibe 4 werden durch chemisches Anätzen
angerauht und sodann mit einer aufgedampften Schicht aus Nickel oder anderem geeignetem Material
versehen, das durch Überziehen, Aufsprühen oder in anderer geeigneter Weise aufgebracht werden
kann. Das so behandelte Kristall wird sodann in einem Ofen auf eine hohe Temperatur längere Zeit
erhitzt, um so das Nickel in die Oberflächen des Metalls eindiffundieren zu lassen.
Es wird ebenfalls ein Film einer Lötmasse, die vorzugsweise einen Bleigehalt (etwa 99 %) aufweist
und ebenfalls eine geringe Menge anderer geeigneter Materialien, wie Silber oder Zinn, enthalten kann,
zwischen die Scheiben 1 und 2 des Kupferdrahtes und des Kristalls 4 und die Kupferblöcke 5 und 6
(Fig. 1) gebracht, und die gesamte Anordnung wird sodann in einem Wasserstoffofen auf eine Temperatur
von 300° C erhitzt, um so die Lötmasse in die Oberflächen des Metalls und der Kupferblöcke eindiffundieren
zu lassen. Der Nickelüberzug auf dem Halbleiterkristall führt zu einer geringfügigen
besseren Hochfestigkeitsbindung mit dem eigent-
liehen Kristall. Das allgemeine Arbeitsprinzip dieser Vorrichtung ist in gleicher Weise für den Zusammenbau
geeignet, bei dem Hochtemperatur-Lötmassen Anwendung finden.
Bei der Löttemperatur dehnt sich der Kupfer-Wärmeableiter mit den Blöcken 5 und 6 in der gleichen Weise wie der Kupferdraht in den Scheiben 1 und 2 aus, und alle Bauelemente liegen zusammengebaut mit der metallisierten Oberfläche des ίο Kristalls 4 vor.
Bei der Löttemperatur dehnt sich der Kupfer-Wärmeableiter mit den Blöcken 5 und 6 in der gleichen Weise wie der Kupferdraht in den Scheiben 1 und 2 aus, und alle Bauelemente liegen zusammengebaut mit der metallisierten Oberfläche des ίο Kristalls 4 vor.
Bei dem Abkühlen der Vorrichtung kühlen sich alle Bestandteile gleichmäßig ab, jedoch zieht sich
das Silizium oder der andere Halbleiterkristall nicht in dem gleichen Ausmaß wie der Wärmeableiter
is zusammen. Das Ergebnis besteht darin, daß sich die Kupferdrähte spreizen, so daß einzelne Hohlräume
zwischen den Oberflächen des Kristalls ausgebildet werden, wie in der Fig. 4 gezeigt, die einen
Teil der Drähte zwischen der Halbleiterscheibe und so dem Kupferblock zeigt, nachdem das Löten ausgeführt
worden sowie die Bänder 3 entfernt worden sind.
Die mechanischen Belastungen an jeder Drahtverbindung (nur das Ende) sind sehr geringfügig, da
sich der Drahtdurchmesser auf nur etwa 0,127 mm beläuft und die unterschiedliche Ausdehnung etwa
0,025 mm beträgt. Es handelt sich somit um einen Wert, der leicht durch die Elastizität des Drahtes
und des Lötmassenfilms (der nun optimal dünn sein kann) aufgenommen wird.
Der HalbIeiterkristaII 4 ist nunmehr frei, um sich unabhängig von der unterschiedlichen Ausdehnung
zu bewegen, und das einzige Erfordernis besteht darin, daß die winkelförmige Lage der äußeren
Drähte der Scheiben 1 und 2 nicht zu einer derartigen Kürzung führt, daß Biegebelastungen ausgebildet
werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß eine entsprechende Länge der Drähte in den
Scheiben gewählt wird. Die Dicke jeder Scheibe muß natürlich eine Funktion des Durchmessers des Halbleiters
zum Erzielen optimaler Leistungsfähigkeit sein.
Erfindungsgemäß ergeben sich erhebliche Vorteile. So scheint es keine praktische Begrenzung des
Durchmessers der in Anwendung kommenden Halbleiterscheibe und somit der Stromdichte, mit der eine
Halbleitervorrichtung betrieben werden kann, bezüglich der Ausdehnungsprobleme zu geben. Somit
können erfindungsgemäß Halbleitervorrichtungen hergestellt werden, die mit wesentlich größerer
Stromdichte betrieben werden können als dies bisher möglich war. Unter der Annahme einer Lötverbindung
mit jedem der Drahtenden kann sich der wirksame Querschnitt des Wärmeleiters auf mehr
als 90 % desjenigen des massiven Kupfers belaufen. Alle Materialien, die bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen angewandt werden, stehen leicht zur Verfügung
und sind relativ billig. Die restlichen Kosten zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen großer Abmessungen
vermittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind größtenteils Arbeitskräftekosten und
nicht Kosten der Bauelemente.
Eine typische Anordnung unter Anwenden der Bauelemente nach der Fig. 1 ist im angenäherten
Maßstab in den F i g. 5 und 6 wiedergegeben. Dieselbe weist einen inneren Teil, bestehend aus einer
dünnen Scheibe 7 aus Silizium oder anderem hoch-
Claims (8)
1. Halbleiterbauelement, bestehend aus einer relativ großen Halbleiterscheibe und damit in
Verbindung stehenden als Wärmesenken wirkenden Abnahmeelektroden, die mehrere metallische
draht- oder rohrförmige Elemente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe
(4) mit den wärmeabführenden Abnahmeelektroden (5, 6) durch eine Vielzahl von
dünnen Einzeldrähten (1, 2) in Form von Drahtbündeln über Lötverbindungen verbunden ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenken
(5, 6) und die Verbindungsdrähte (1, 2) aus Kupfer bestehen, die Drähte (1, 2) in Form von
Scheiben aus zusammengedrückten Drahtbündeln vorliegen, die mit Umfangsbändern (3) versehen
sind.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Drähte (1, 2) und die Abmessungen der Wärmesenken
(5, 6) in einem derartigen Verhältnis zueinander stehen, daß die elektrischen Daten
des Halbleiters (4) durch Erwärmen praktisch nicht verändert werden.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Drähte
(1, 2) an den Wärmesenken (5, 6) und dem Halbleiter (4) vermittels einer Lötmasse hohen Bleigehaltes
befestigt sind.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferdrähte
(1, 2) einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,17 mm besitzen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1 057 241;
österreichische Patenschrift Nr. 222 227;
französische Patentschrift Nr. 1 213 484;
USA.-Patentschriften Nr. 2 806 187, 3 128 419, 158.
Deutsche Patentschrift Nr. 1 057 241;
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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