DE1279201B - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

BIBLIOTHEK

DES DEUTSCHEN PATEHTAMTES

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1279 201

Aktenzeichen: P 12 79 201.7-33 (W 34111)

Anmeldetag: 16. März 1963

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, die einen mit einer seitlich abstehenden, elektrischen Anschlußfahne kontaktierten Halbleiterkörper enthält, wobei das dem Halbleiterkörper benachbarte Metall der Anschlußfahne etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper hat. Die Halbleiteranordnung soll insbesondere für eine Mikrominiaturisierung verwendbar sein.

Schwierigkeiten ergaben sich bisher immer wieder bei der Anbringung von Halbleiterplättchen an elektrisch leitende Zuführungen. Das wesentliche Kriterium für die Auswahl einer Zuführung lag bisher meist in ihrer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Bei der Anbringung des Halbleiters ergaben sich jedoch in den Plättchen infolge der mechanischen Beanspruchung, welche während des für die Herstellung der Verbindung mit der Zuführung erforderlichen Wärmebehandlung verursacht wurden, immer wieder Fehlstellen. Die Wärmeausdehnung der gewöhnlich für die Zuführung verwendeten Metalle, wie Kupfer, Legierungen aus Kupferbasis oder Messing, ist etwa zweimal so groß wie diejenige des Germaniums und etwa viermal so groß wie diejenige des Siliziums. Infolgedessen wird beim Löten, gewöhnlich während des Kühlvorganges, eine gewisse Beanspruchung innerhalb des Plättchens hervorgerufen. Kühlt sich das Element von der Verfestigungstemperatur des Bindematerials auf Raum- bzw. Arbeitstemperatur ab, so zieht sich die Zuführung im wesentlichen stärker zusammen als der Halbleiter, so daß auf das Plättchen bei Raumtemperatur eine beachtliche Kompression ausgeübt wird.

Bekannt ist es, Zuführungen aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material über eine Metallsicht aus Molybdän, Wolfram oder Tantal an das Halbleiterplättchen heranzuführen. Diese Metalle besitzen angenähert den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleiterplättchen, aber ihre Wärmeleitfähigkeit ist gering. Es ist daher ein kleiner Wärmewiderstand der Zuführung nur sichergestellt, wenn für den Wärmetransport der gesamte Querschnitt der Metallschicht und der Zuführung zur Verfügung steht. Seitlich abstehende Anschlußfahnen, die geringe Dicke besitzen müssen, lassen sich damit nicht herstellen.

Für solche seitlich abstehende, elektrisch leitende Anschlußfahnen ist es bekannt, eine Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung zu verwenden, wie sie unter dem Warenzeichen »Kovar« im Handel erhältlich ist. Damit wird eine Teillösung des Problems erreicht.

Halbleiteranordnung

Anmelder:

g Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
ίο 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Robert J. Reinigen, Latrobe, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. März 1962 (183 789) - -

Es kann Kontakt mit den Siliziumplättchen hergestellt werden, da der Ausdehnungskoeffizient der Kovar-Legierung im wesentlichen dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium gleich ist. Infolgedessen ist also ein großer Teil der während des Kühlvorganges eintretenden Spannungen ausgeschaltet. Nun besitzt zwar das Kovar-Metall den den Siliziumplättchen entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, jedoch hat es andererseits nicht die erforderliche Wärmeleitfähigkeit, um eine zufriedenstellende und zuverlässige Wirkungsweise der Halbleiteranordnung zu gewährleisten.

Es besteht die Aufgabe, für eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art einen genügend kleinen Wärmewiderstand der seitlich abstehenden Anschlußfahnen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anschlußfahne aus wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Schichten besteht, von denen die vom Halbleiterkörper abgewandte Schicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die dem Halbleiter zugewandte.

Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit der dem Halbleiterkörper abgewandten Schicht der Anschlußfahne

erfolgt die Wärmeleitung in Längsrichtung bei geringem Wärmewiderstand, und die Dicke der Anschlußfahne braucht nicht vergrößert zu werden. Beispielsweise ist daher die Halbleiteranordnung für eine Mikrominiaturisierung gut geeignet.

Die flache Anschlußfahne kann aus drei Metallschichten zusammengesetzt sein, von denen die beiden äußeren etwa den gleichen Wärmeausdehnungs-

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koeffizienten wie der Halbleiterkörper haben und Nickel, zwischen 5 und 25% Kobalt, weniger als die dazwischenliegende Schicht eine höhere Wärme- 1% Mangan und im übrigen Eisen enthaltende leitfähigkeit als die Randschichten besitzt. Dabei Kovar-Legierung erwiesen. Nominell liegt die Zukönnen die Außenschichten der Anschlußfahne aus sammensetzung dieser Legierung bei 29°/o Nickel, einer zwischen 0,05 und 0,1mm dicken, aus 28 bis 5 17,5% Kobalt, 0,8% Mangan und im übrigen 34% Nickel, 5 bis 25% Kobalt, weniger als 1% Eisen. Der Ausdehnungskoeffizient der Kovar-Legie-Mangan und im übrigen Eisen enthaltenden Legie- rung liegt bei 20° C bei etwa 4 · 10~⁶, während er rung und die Innenschicht aus mindestens einem bei Silizium zwischen 2 und 4 · 10~⁶ beträgt. In Metall, wie Kupfer oder Silber oder auf der Basis ähnlicher Weise kann ein Metall, wie Kupfer oder von Kupfer oder Silber aufgebauten Legierung mit io Silber, oder auf der Basis von Kupfer oder Silber einer Dicke zwischen 0,05 und 0,1 mm bestehen. erhaltene Legierungen für die Herstellung der Die Anschlußfahne kann aber auch aus zwei etwa Innenschicht verwendet werden. 0,08 mm dicken Außenschichten einer etwa 29% Bei der Auswahl der Dickenverhältnisse, beiNickel, 17,5% Kobalt, 0,8% Mangan und im spielsweise der Kovar- und Silberschichten, ist übrigen Eisen enthaltenden Legierung bestehen. Da- 15 darauf zu achten, daß eine ausreichende Materialbei kann die aus Silber hergestellte Innenschicht stärke vorliegt, um zu gewährleisten, daß sich die ebenfalls eine Dicke von annähernd 0,08 mm be- Scherspannung auf die Kovar-Legierung und auf sitzen. An die Anschlußfahnen können elektrisch die gemeinsame Silberfläche beschränkt und daß und thermisch gut leitende Zuleitungsdrähte ange- sie sonst nirgends in dem Kontaktmaterial auftritt, schlossen sein, und ein hermetisch abschließender 20 So kann die Dicke der einzelnen Schichten beispiels-Isolierstoffüberzug über die Halbleiteranordnung weise zwischen etwa 0,05 und 0,1 mm betragen, jekann vorgesehen sein. doch sind sämtliche Schichten vorzugsweise gleich

Zur näheren Erläuterung der Art und der Aufgabe dick, und die Gesamtdicke der Anschlußfahne beder Erfindung sei dieselbe an Hand der folgenden trägt bei Halbleiterplättchen mit einer Dicke zwi-Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeich— 25 sehen 0,18 und 0,25 mm annähernd 0,25 mm. Es nungen noch näher erläutert. Es zeigt hat sich jedoch gezeigt, daß auch Anschlußfahnen

F i g. 1 einen Schnitt durch eine für eine Halb- mit einer Dicke von mehr als 0,25 mm zufriedenleiteranordnung bestimmte zusammengesetzte An- stellende Ergebnisse erbrachten, schlußfahne, Bei Verwendung einer zusammengesetzten An-

Fig. 2 eine unter Verwendung der erfindungs- 30 schlußfahne können im wesentlichen spannungsfreie gemäßen Zuführung hergestellte Halbleiteranord- Verbindungsstellen zwischen Germanium und solchen nung. Anschlußfahnen erhalten werden, deren Außen-

Die Erfindung sieht zur Lösung der vorstehend schichten Ausdehnungskoeffizienten zwischen 5 · 10~^e genannten Aufgaben eine Halbleiteranordnung vor, und 8 · 10~⁶ besitzen, sowie auch zwischen Silizium die durch die Kombination eines Halbleiterelementes, 35 und solchen Anschlußfahnen, der Außenschichten wie Silizium oder Germanium, und einer oder im gegebenen Temperaturbereich Ausdehnungsmehrerer mit dem Element verbundenen, aus zwei koeffizienten zwischen 2-10~⁶ und 4·10~^β haben oder mehreren Metallschichten zusammengesetzten, und bei denen durch die innere Metallschicht der zumetallischen Anschlußfahne hergestellt wird. Vor- sammengesetzten Anschlußfahne auch die erforderzugsweise besteht die seitlich abstehende Anschluß- 40 liehe hohe Wärmeleitfähigkeit gegeben ist. Andere im fahne dabei aus drei Metallschichten, von denen wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizwei aus einander ähnlichen Metallen hergestellt zienten wie Silizium und Germanium besitzende sind, um den sich durch Durchbiegen bemerkbar Metalle und Legierungen können ebenfalls zur machenden Bimetalleffekt u. dgl. zu verhindern. Herstellung der äußeren Metallschichten der zu-Der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren 45 sammengesetzten Anschlußfahne verwendet werden, Metallschichten sollte innerhalb des ganzen Tem- jedoch finden im Hinblick auf die Gesamtkosten der peraturbereiches, dem die Kombination bei der Her- Halbleiteranordnungen am zweckmäßigsten die stellung und im Betrieb ausgesetzt ist, im wesent- obengenannten Legierungen Verwendung, liehen den gleichen Wert besitzen wie derjenige des Fig. 1 zeigt eine zusammengesetzte Anschluß-

Halbleiterelementes. Die Innenschicht besitzt zweck- 50 fahne 10, die in der Weise erhalten wurde, daß die mäßigerweise eine verhältnismäßig hohe Wärmeleit- einzelnen aus einem Metall oder einer Legierung fähigkeit. Eine besonders vorteilhafte Zusammen- der gewünschten Dicke bestehenden Plättchen aufsetzung der Außenschichten der Anschlußfahne bei einandergeschichtet wurden und dann das Geeinem Germaniumplättchen besteht aus einer Legie- samtgebilde unter Anwendung von Druck und Hitze rung aus annähernd 56% Eisen, 43,5% Nickel und 55 bei entsprechender Überwachung derart gewalzt 0,6% Mangan. Dieser Werkstoff hat bei einer Tem- wurde, daß die Schichten 11, 12 und 13 eine zuperatur von 20° C einen Ausdehnungskoeffizienten sammenhängende Schichtung bilden und dabei doch von 6,3 · 10~⁶, verglichen mit einem Ausdehnungs- die einzelnen Metall- oder Legierungseigenschaften koeffizienten von 6,2 · 10~⁶ bei Germanium. Zur jeder Schicht beibehalten werden. Die Außenflächen Bildung der Innenschicht der Anschlußfahne können 60 der Schichten 11 und 13 können mit einem entKupfer oder Silber oder auch auf der Basis von < sprechenden Metallüberzug versehen werden, so daß Kupfer oder Silber hergestellte Legierungen ver- der Teil 10 leichter mit einem Halbleiterelement wendet werden, da diese Substanzen bekanntlich der- und mit elektrischen Anschlüssen verbunden werden art beschaffen sind, daß sie Wärme sehr rasch ab- kann.

leiten. 65 F i g. 2 zeigt eine Halbleiteranordnung, bei der

Als besonders vorteilhafte Zusammensetzung für an den beiden Oberflächen eines Halbleiterelementes

die Außenschichten der Anschlußfahne eines SiIi- 16 jeweils eine zusammengesetzte Anschlußfahne 10

ziumplättchens hat sich die zwischen 28 und 34% angebracht ist und bei der die elektrisch und ther-

misch leitenden Anschlußdrähte 18 und 20 an den Anschlußfahnen 10 auf der gleichen Oberfläche wie das Halbleiterplättchen angebracht sind; auf diese Weise kann die Gesamtanordnung mit allen Arten elektrischer Stromkreise verbunden werden.

Zu bemerken ist in diesem Zusammenhang, daß die äußeren, beispielsweise aus einer Kovar-Legierung, bestehenden Schichten zwar keine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, die Wärme jedoch vom Halbleiterelement durch die Kovar-Legierung hindurch auf die beispielsweise aus Silber bestehende Innenschicht am einen Ende der geschichteten Anschlußfahne abgeleitet und anschließend dann rasch in Querrichtung an das andere Ende des Schichtgebildes zu einem Leiter geführt wird, der an der gleichen Oberfläche der geschichteten Anschlußfahne angebracht ist wie der Halbleiterbauteil selbst.

Durch die Verwendung von zwei Außenmetallschichten auf einer Innenmetallschicht wird außerdem vermieden, daß ein Durch- oder Abbiegen ein- ao tritt oder daß sich andere Bimetallwirkungen bemerkbar machen, wenn die zusammengesetzte Anschlußfahne der Einwirkung von Wärme ausgesetzt wird.

Das folgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Lehre.

Eine aus verschiedenen Schichten hergestellte Anschlußfahne, entsprechend der Darstellung der Fig.l, wird in der Weise erhalten, daß zwischen zwei aus einer Kovar-Legierung bestehenden Metallplättchen ein Silbermetallplättchen eingelegt wird. Die Dicke der einzelnen Plättchen liegt dabei jeweils in einer Größenordnung von 0,13 mm. Das gesamte Schichtgebilde wird unter Einwirkung von Hitze und Druck derart gewalzt, daß zwischen den Kovar-Schichten und der Silberschicht eine metallurgische Bindung erhalten wird, die einzelnen Schichten jedoch gleichzeitig ihre ursprünglichen Eigenschaften beibehalten. Die Gesamtdicke der Anschlußfahne liegt bei etwa 0,25 mm, und die einzelnen Schichten sind annähernd gleich dick. Die Außenflächen der Kovar-Schicht werden mit einem etwa 7,5 μ starken Goldüberzug versehen. Je ein derartiges Schichtgebilde wird anschließend auf eine der beiden Seiten eines Siliziumplättchens derart aufgebracht, daß jeweils ein Teil dieser Gebilde über den Rand des Plättchens hinausragt. Dann werden an der Innenfläche jeder geschichteten Anschlußfahne elektrisch leitende Anschlüsse angebracht und das Gesamtgebilde in einen Halter eingesetzt, um auf diese Weise alle einzelnen Bauteile an Ort und Stelle festzuhalten. Im Anschluß daran wird die Kombination in einen genügend weit aufgeheizten Ofen eingebracht, um zwischen den Siliziumplättchen und den geschichteten Anschlußfahnen einerseits und den geschichteten Anschlußfahnen und den elektrischen Zuleitungen andererseits eine entsprechende Bindung herzustellen.

Abschließend wird die gesamte Anordnung schließlich mit einem Epoxyharz überzogen und dieses zur Erzielung eines hermetischen Abschlusses für das Siliziumplättchen gehärtet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, die einen mit einer seitlich abstehenden, elektrischen Anschlußfahne kontaktierten Halbleiterkörper enthält, wobei das dem Halbleiterkörper benachbarte Metall der Anschlußfahne etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahne aus wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Schichten besteht, von denen die vom Halbleiterkörper abgewandte Schicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die dem Halbleiterkörper zugewandte.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahne aus drei Metallschichten zusammengesetzt ist, von denen die beiden äußeren etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper haben und die dazwischenliegende Schicht eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Randschichten besitzt.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten der Anschlußfahne aus einer zwischen 0,05 und 0,1 mm dicken, aus 28 bis 34°/o Nickel, 5 bis 25% Kobalt, weniger als 1% Mangan und im übrigen Eisen enthaltenden Legierung und die Innenschicht aus mindestens einem Metall, wie Kupfer oder Silber, oder auf der Basis von Kupfer oder Silber aufgebauten Legierungen mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,1 mm besteht.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfahne aus zwei etwa 0,08 mm dicken Außenschichten einer etwa 29 «/0 Nickel, 17,5 «/0 Kobalt, 0,8 «/0 Mangan und im übrigen Eisen enthaltenden Legierung besteht und die aus Silber hergestellte Innenschicht ebenfalls eine Dicke von annähernd 0,08 mm besitzt.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch und thermisch gut leitende Zuleitungsdrähte an die seitlich abstehenden Anschlußfahnen angeschlossen sind und daß ein hermetisch abschließender Isolierstoffüberzug über die Halbleiteranordnung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1120 603;
französische Patentschrift Nr. 1283 082;
USA.-Patentschriften Nr. 3 002133, 3 010 057,
946 935.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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