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Bei Halbleiter-Anordnungen, wie Transistoren, Gleichrichtern, steuerbaren
Gleichrichtern od. dgl., weisen die aus einkristallinem Halbleitermaterial bestehenden
Tabletten mit wenigstens einem pn-Übergang flächenhafte metallische Kontaktüberzüge
auf und sind über solche beispielsweise durch Weichlötung mit vorzugsweise aus Kupfer
bestehenden Gehäuseteilen und/oder Anschlußleiterteilen kontaktiert und in einem
Gehäuse angeordnet. Zu diesem Zweck sind bekanntlich in einem Diffusionsverfahren
vorbehandelte Halbleitertabletten beidseitig mit Nickelüberzügen und zur Verbesserung
der Lötfähigkeit derselben weiterhin mit einem Goldüberzug versehen und mittels
eines vorzugsweise Silber, Indium oder Zinn enthaltenden Weichlotes kontaktiert,
während in einem Legierungsverfahren vorbehandelte Halbleitertabletten über die
bei der Bildung des pn-Überganges gleichzeitig erzielten Kontaktüberzüge beispielsweise
mittels zinnhaltiger Lote mit metallischen Kontaktbauteilen fest verbunden sind.
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In dieser Weise aufgebaute Halbleiter-Anordnungen genügen im technischen
Einsatz auch einer Belastungsart, bei der häufige Betriebstemperaturwechsel (zwischen
etwa 20 und 170°C auftreten können, sofern die Kontaktfläche der Halbleitertablette
nicht größer ist als etwa 10 mm2, was einer Strombelastbarkeit von bis etwa 5 A
entspricht. Bei Halbleiter-Anordnungen mit größerer Kontaktfläche tritt durch eine
solche Temperaturwechselbeanspruchung nach einiger Zeit eine Ermüdung des Weichlotkontaktes
ein, die zur Ablösung der Anschlußleiterteile und zum Ausfall der Halbleiter-Anordnung
führt.
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Zur Vermeidung solcher nachteiliger Erscheinungen sind verschiedene
Lösungsvorschläge bekanntgeworden. So sind Ausführungsformen von Halbleiter-Anordnungen
bekannt, bei denen auf den entsprechenden Kontaktflächen der metallischen Kontaktbauteile
eine oder mehrere Ronden aus schwerschmelzbarem Metall, vorzugsweise aus Wolfram
oder Molybdän, hart aufgelötet sind und die Halbleitertablette mittels Weichlot
zwischen diesen Metallronden befestigt ist, so daß die Weichlotschichten zwischen
Materialien angenähert gleicher Wärmedehnzahl liegen.
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Bei anderen bekannten Ausführungsformen bestehen diese Ronden aus
Schichten unterschiedlichen Ma- , terials, und zwar zur Halbleitertablette hin aus
Wolfram oder Molybdän und zum Anschlußleiter hin aus Kupfer oder Silber, so daß
jeweils die Wärmedehnzahlen aneinandergrenzender Materialien angenähert übereinstimmen.
Diese Ronden sind mittels Weichlot sowohl mit der Halbleitertablette als auch mit
den Anschlußleiterteilen kontaktiert. Diese bekannten Anordnungen zeigen zwar eine
bessere Temperaturwechselbeständigkeit, andererseits jedoch die wesentlichen Nachteile
eines höheren elektrischen und thermischen Widerstandes und eines beträchtlichen
Aufwandes an Material und Verfahrensschritten. Außerdem sind in diesem Zusammenhang
vorgeschlagene Sinterplatten aus mehreren .Metallen in ihrer Herstellung teuer und
müssen zur weiteren Verarbeitung noch geeignet vorbehandelt werden.
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Weiterhin sind Halbleiter-Anordnungen bekannt, welche Hartlotkontakte
zwischen Halbleitertablette, Ronde aus dem schwerschmelzbaren Metall und/oder Anschlußleiter
aufweisen. Dadurch ist zwar die gewünschte Temperaturwechselbeständigkeit gegeben,
jedoch erfahren die Eigenschaften des Halbleitermaterials durch bei der hohen Hartlöttemperatur
auftretende Diffusionserscheinungen der am Kontaktierungsprozeß beteiligten Metalle
eine beträchtliche Verschlechterung.
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Die Schwierigkeiten, welche beim Einsatz von Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen
unter thermischer Wechselbeanspruchung durch Verwendung von Weichlotkontakten auftreten,
sind dadurch gegeben, daß die Weichlote in den Werten wesentlicher physikalischer
Eigenschaften, insbesondere der Wärmedehnzahl, sowie der elektrischen und thermischen
Leitfähigkeit .erheblich von den entsprechenden Werten der Metalle der Kontaktbauteile,
wie Gehäuseteile und Leitungsanschlüsse, die vorzugsweise aus Silber, Kupfer, Wolfram
oder Molybdän bestehen, abweichen, und daß Weichlote außerdem beim Erstarren, also
nach dem Lötprozeß, eine hohe Volumenkontraktion erfahren, die zur Ausbildung von
Lunkern in Kontaktlotschichten und damit zu weiterer Verschlechterung des elektrischen
und thermischen Verhaltens der Halbleiter-Anordnungen führt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften
von Weichloten bezüglich ihrer Verwendung zur Kontaktierung von Halbleiter-Bauelementen,
welche thermischer Wechselbeanspruchung unterliegen, zu verbessern.
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Gemäß der deutschen Patentschrift 934 736 ist zur spannungsfreien
Verbindung von Sinterkörpern mit Trägern aus Eisen- oder Nichteisenmetallen bzw.
Eisen- oder Nichteisen-Legierungen eine Lötfolie bekanntgeworden, die als Bimetallfolie
so aufgebaut und angeordnet ist, daß die jeweils dem angrenzenden metallischen Körper
zugewandte Seite aus einer Metallkomponente mit einer Wärmedehnzahl gleich derjenigen
des metallischen Körpers besteht. Die Bimetallfolienkomponenten sind durch Preßschweißung
dicker Platinen ohne Lotzwischenlage fest verbunden und auf der freien Oberfläche
mit einer dünnen Schicht eines Hartlotes oder hochschmelzenden Metalls versehen.
Zur gewünschten Weichlotkontaktierung von Halbleiter-Bauelementen sind solche Bimetallfolien
nicht geeignet.
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Weiter ist aus der deutschen Patentschrift 847 658 eine Metallmischung
als Spachtelmasse zum Füllen und Verschließen von Rissen und Löchern in Automobilkarosserien
bekanntgeworden, welche aus einem innigen Gemisch einer Legierung auf Bleibasis
besteht mit einer Menge von 15 bis 40 Gewichtsprozent eines in. der Legierung nicht
löslichen Metallpulvers. Die Metallegierung besteht vorzugsweise aus Lötmetallen
mit niedrigem Schmelzpunkt. Das zugesetzte Metallpulver ist fein verteilt und weist
einen hohen Schmelzpunkt auf, so daß sich bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt
der Legierung ein charakteristischer Plastizitätsgrad ergibt, der insbesondere für
den genannten Verwendungszweck vorteilhaft und erwünscht ist. Als Metallzusatz ist
Eisen-, Kupfer-, Bronze oder Stahlpulver bevorzugt. Die vorgeschlagenen Metallmischungen
sind speziell auf Verwendung im plastischen Zustand über einen breiten Temperaturbereich
abgestellt, eignen sich jedoch in den aufgezeigten Zusammensetzungen nicht zur Herstellung
von Lotkontaktschichten für Halbleiter-Anordnungen mit temperaturwechselbeständigem
Betriebsverhalten.
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In der deutschen Patentschrift 836 589 wird ein Lötverfahren beschrieben,
bei dem zur Erzielung von Lötungen bei niedrigen Temperaturen und Beanspruchung
solcher Lötverbindungen durch hohe Temperaturen zwischen den zu verlötenden Gegenständen
ein
niedrigschmelzendes Vorlot in Gegenwart höherschmelzender Metalle oder Legierungen
zum Schmelzen gebracht wird. Dabei finden von den Randzonen der höherschmelzenden
Materialien ausgehend Reaktionen in fester oder flüssiger Phase statt, wodurch sich
bei weiter anhaltender Erhitzung das endgültige, höheren Schmelzpunkt und höhere
Zähigkeit aufweisende Lot bildet. Die Schmelzpunkte von in diesem Zusammenhang aufgezeigten
Loten machen jedoch Löttemperaturen erforderlich, die bei der Herstellung von Halbleiter-Anordnungen
zu nachteiligen Veränderungen der Eigenschaften des Halbleitermaterials führen können.
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Die deutsche Patentschrift 613 878 betrifft ein Lot, welches zum Löten
hochschmelzender Metalle geeignet ist oder solche Metalle mit niedrig schmelzenden
Metallen verbinden kann, und besteht aus einer ausgewählten, schwer schmelzbaren
Komponente wie Wolfram, Molybdän, Tantal, Titan, Vanadium oder einer Mischung dieser
Metalle und aus einer ausgewählten niedriger schmelzenden Komponente wie Kupfer,
Nickel, Zink, Zinn, Aluminium, Kobalt, Eisen oder einer Mischung dieser Metalle.
Zur Herstellung eines solchen Lotes sollen die Komponenten in feingepulverter Form
vorliegen, in gewünschtem Verhältnis gemischt und unter Wärme und Druck verbunden
werden. Der nichtschmelzende Bestandteil soll regelmäßig im Überschuß vorhanden
sein. Das vorgeschlagene Lot soll das Löten hochschmelzender Metalle oder die feste
Verbindung derselben durch Löten mit niedriger schmelzenden Metallen gewährleisten.
Die Erfindung löst jedoch die Aufgabe, die Eigenschaften von Weichloten zur Kontaktierung
von thermischer Wechselbeanspruchung unterworfenen Halbleiter-Bauelementen zu verbessern,
in der Weise, daß durch geeignete metallische Zusätze zur Weichlotkomponente die
Wärmedehnzahl der Lotkontakte derjenigen der angrenzenden Materialien weitgehend
angepaßt wird, und daß die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Lotkontakte
wesentlich verbessert wird.
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Die britische Patentschrift 861242 betrifft Hartlote und ihre Herstellung.
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Mit den bekannten Loten bzw. mit dem Verfahren zu ihrer Herstellung
ist eine Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe nicht gegeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in überraschender und vorteilhafter
Weise darin, daß die zur Kontaktierung von Halbleiter-Anordnungen vorgesehenen Weichlote
einen Zusatz eines oder mehrerer Metalle in geeigneter Form, Menge und bedarfsweiser
Zusammensetzung aufweisen, welcher sich im Bereich der beim Löten erforderlichen
Arbeitstemperaturen unvollständig oder überhaupt nicht im Weichlot löst.
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Die Erfindung betrifft daher eine Halbleiter-Anordnung mit guter Beständigkeit
gegenüber thermischen Wechselbeanspruchungen, bei der eine mit lötfähigen Leiterüberzügen
versehene Tablette aus einkristallinem Halbleitermaterial mit mindestens einem pn-Übergang
unmittelbar oder unter Zwischenlage von Ronden aus einem Metall geringer Wärmeausdehnung
mit Hilfe einer Weichlötung mit Leitungsanschlüssen flächenhaft leitend verbunden
ist und besteht darin, daß das verwendete Weichlot aus Blei, Zinn oder einer Blei-Silber-Legierung
aus 2,5 %
Silber, Rest Blei, einer Blei-Silber-Kupfer-Legierung aus 2,5
% Silber, 0,5 % Kupfer, Rest Blei, einer Blei-Indium-Legierung aus
1501', Indium, Rest Blei, einer Zinn-Blei-Legierung aus 40"/" Blei, Rest
Zinn, einer Zinn-Silber-Legierung aus 3,5 % Silber, Rest Zinn, einer Zinn-Gold-Legierung
aus 10 °/o Gold, Rest Zinn oder einer Zinn-Antimon-Legierung aus 2 bis 1111/0 Antimon,
Rest Zinn, besteht und daß dem Weichlot entweder 10 bis 50 °/o Kupfer und/oder Silber
in Form eines Metallpulvers oder einer Metall- oder Legierungs-Pulvermischung oder
10 bis 5001, Wolfram, Molybdän und/oder Tantal in Form eines Metallpulvers
oder einer Metall- oder Legierungs-Pulvermischung oder 10 bis 5001, Eisen,
Nickel oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Vacon), aus 280/,
Nickel,
18 bis 23 % Kobalt, Rest Eisen, in Form eines Metallpulvers zugesetzt ist,
wobei sich das Metallpulver im Bereich der erforderlichen Löttemperatur unvollständig
oder überhaupt nicht im Weichlot löst.
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Das dem Weichlot zugesetzte Metallpulver kann auch aus einer Mischung
oder Legierung der Metalle Kupfer und/oder Silber mit den Metallen Wolfram, Molybdän
und/oder Tantal bestehen.
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Die Korngröße des Metallpulvers soll weniger als 100 tim, vorzugsweise
3 bis 15 #tm betragen.
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Um auch bei Zusatz eines Pulvers aus den Metallen Wolfram, Molybdän
oder Tantal eine möglichst gleichmäßige Verteilung derselben im Weichlot zu gewährleisten,
können nach einer Weiterbildung der Erfindung die Pulverkörner dieser von den meisten
Weichloten nur sehr schlecht benetzbaren schwerschmelzbaren Metalle einen Überzug
aus einem die Benetzung durch das Weichlot fördernden Metall, beispielsweise Nickel,
Silber, Eisen oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung in der vorerwähnten Zusammensetzung
in einer Dicke von etwa 1 tLm aufweisen. Die Aufbringung solcher metallischer Überzüge
kann beispielsweise durch galvanische oder chemische Abscheidung erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Weichlot kann in Form von Folien und/oder Lötronden
vorliegen und beim Löten eine gewisse Plastizität aufweisen.
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Durch die erfindungsgemäßen Zusätze an Metallpulver kann die Wärmedehnzahl
des Weichlotes beträchtlich herabgesetzt werden, je nach Material und Menge sogar
unter diejenige von Kupfer. Gemessen an der Wärmedehnzahl der schwerschmelzbaren
Metalle ist jedoch eine noch weitere Herabsetzung wünschenswert. Mit einem Lot mit
entsprechend hoher Konzentration an Pulver aus schwerschmelzbarem Metall kann diese
Forderung weitgehend erfüllt werden. Um hierbei an Metallpulver zu sparen, kann
dessen Konzentration in Richtung auf den mit der Halbleitertablette oder der Ronde
aus schwerschmelzbarem Metall zu kontaktierenden Leitungsanschluß, der meist aus
Kupfer besteht, ohne Nachteil geringer sein. Beispielsweise können zur Durchführung
des Lötprozesses zwei Lötronden übereinander angeordnet sein, von denen die an das
schwerschmelzbare Metall oder an das Halbleitermaterial angrenzende eine hohe Konzentration
an Pulver aus schwerschmelzbarem Metall und die an das aus Kupfer bestehende Kontaktbauteil
angrenzende Ronde nur Kupferpulver aufweiset. Bei Verwendung eines reinen Zinnlotes
mit beispielsweise 50 % Molybdänpulver bzw. 50°/o Kupferpulver ergeben sich
dann für die Wärmedehnzahlen etwa folgende Werte: Kupfer 16,8 - 10-" grad-1, Zinn
mit Kupferpulver 21,4 - 10-' grad-1, Zinn mit Molybdänpulver 15,5 - 10-' grad-1
und Molybdän 5 - 10-" grad-1.
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Um die Konzentration an Metallpulver mit geringer
Wärmeausdehnung
in dem der Halbleitertablette oder der Ronde aus schwerschmelzbarem Metall zugewandten
Bereich der Weichlotschicht zu erhöhen, kann auch von der Erkenntnis Gebrauch gemacht
werden, daß das Metallpulver, wenn es gegenüber dem Weichlot ein unterschiedliches
spezifisches Gewicht aufweist, zu einer Entmischung aus dem schmelzflüssigen Lotmetall
neigt, indem es absinkt oder aufsteigt. Demzufolge werden in vorteilhafter Weise
zur Herstellung von erfindungsgemäßen Halbleiter-Anordnungen zur Erzielung einer
gewünschten Verteilung von Metallpulver im Weichlot als Lotkomponenten jeweils ein
Weichlot und ein Pulver der Metalle Wofram, Molybdän und/oder Tantal mit vorbestimmt
unterschiedlichen spezifischen Gewichten verwendet. Wolfram hat ein spezifisches
Gewicht von 19,3 kg/dm3, Molybdän 10,2 kg/dm3, Tantal 16,6 kg/dm3, Zinn 7,3 kg/dm3,
Indium 7,25 kg/dm' und Blei 11,34 kg/dm3. Auf Grund dieses Verhältnisses des spezifischen
Gewichtes von Metallzusatz zu Weichlot wird bei der vorzugsweise stapelförmigen
Anordnung der durch Weichlöten zu verbindenden Teile der Halbleiter-Anordnung die
Reihenfolge dieser Teile durch die Enttnischungsrichtung des Metallpulvers in der
Weichlotschicht beim Lötprozeß bestimmt. Wird beispielsweise einem Zinnlot Wolframpulver
zugesetzt, so ist bei Kontaktierung einer Halbleitertablette mit Anschlußleiterteilen
infolge des absinkenden Wolframpulvers bei entsprechend gesteuertem Lötprozeß die
Halbleitertablette im Teilestapel unterhalb des jeweiligen Kontaktteiles anzuordnen.
Der Lötprozeß wird in der Weise zeitlich gesteuert, daß durch die vorgegebene Entmischungsrichtung
der Lotkomponenten die Konzentration an Metallpulver geringer Wärmeausdehnung in
jenem Bereich der Lotschicht, der an ein Kontaktteil mit entsprechender Wärmeausdehnung,
nämlich an die Halbleitertablette oder die Ronde aus schwerschmelzbarem Metall angrenzt,
in gewünschter Weise erhöht wird. Zur beidseitigen Kontaktierung einer Halbleitertablette
wird zunächst an ihrer einen Seite eine Weichlötung mit einem geeigneten Lot gemäß
der Erfindung bis zur gewünschten Anreicherung mit Metallpulver in Richtung der
Halbleitertablette durchgeführt, anschließend die auf diese Weise erzielte Anordnung
umgekehrt und weiterhin eine zweite Weichlötung mit einem Lot mit niedrigerem Schmelzpunkt
als das bereits verwendete Lot auf der freien Seite der Halbleitertablette in gleicher
Weise durchgeführt.
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Eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung besteht darin, daß
den Weichloten zur Erhöhung der Konzentration an Wolfram, Molybdän und/oder Tautal
in der Umgebung der im Stapel angeordneten Halbleitertablette an den oberen Lötstellen
grobkörniges, an den unteren Lötstellen dagegen feinkörniges Wolfram, Molybdän und/oder
Tautal in Pulverform zugesetzt wird.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleiter-Anordnung, bei der Weichlote
mit einem Zusatz an Metallpulver geeigneten Materials sowie geeigneter Menge und
bedarfsweise geeigneter Zusammensetzung verwendet werden, bestehen darin, daß zunächst
die physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu denjenigen üblicher Weichlote weitgehend
den entsprechenden physikalischen Eigenschaften der zu kontaktierenden Bauteile
angepaßt werden können. Beispielsweise wird die Wärmedehnzahl eines Lotes aus reinem
Blei durch Zusatz von 50 Gewichtsprozent Kupferpulver um 20 °/a verringert, die
elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitung auf angenähert das Sechsfache gesteigert.
Bei Zusatz von 50 Gewichtsprozent Molybdänpulver zu reinem Blei wird die Wärmedehnzahl
um ungefähr 40 % verringert, die elektrische und thermische Leitfähigkeit
auf ungefähr das 21/2fache gesteigert. Außerdem ist durch Verminderung der Volumenkontraktion
beim Erstarren nach dem Lötprozeß eine weitere Verbesserung des elektrischen und
thermischen Verhaltens gegeben.
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Weitere Vorteile bestehen darin, daß größere Flächen aneinandergrenzenderHalbleiterbauteile
unterschiedlichen Materials mit unterschiedlicher Wärmedehnzahl mittels Weichlot
bei guter thermischer Wechselbeständigkeit kontaktiert werden können, daß in vielen
Fällen Hartlotverbindungen durch verfahrenstechnisch günstigere Weichlotverbindungen
ersetzt bzw. die letzteren entscheidend verbessert werden können, und daß durch
Einsparung von Ronden aus schwerschmelzbarem Metall der Aufbau von Halbleiter-Anordnungen
wirtschaftlicher gestaltet wird.
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Die Erfindung eignet sich nicht nur für die Herstellung von Gleichrichter-Anordnungen
mit Silizium, sondern ebenso auch für das Einlöten von Flächentransistoren oder
Anordnungen mit anderen Halbleiterstoffen als Silizium.