DE1564945C3

DE1564945C3 - Träger für Halbleiter

Info

Publication number: DE1564945C3
Application number: DE19661564945
Authority: DE
Inventors: Unto Uljas Bristol County Mass. Savolainen (V.StA.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1965-12-29
Filing date: 1966-12-08
Publication date: 1976-09-16

Description

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Träger mit Halbleiter,

F i g. 2 einen Träger mit eingebettetem Gitter innerhalb des Bodens,

F i g. 3 ein ausgestanztes Gitter, wie es in der Ausführungsform gemäß F i g. 2 verwendet werden kann,

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform eines Gitters, wie es für den Träger gemäß F i g. 2 benutzt werden kann,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer statistischen Verteilung des Gittermaterials im Träger.

In F i g. 1 ist ein Träger dargestellt, in dem eine Halbleitervorrichtung in an sich bekannter Weise montiert ist. Mit 2 ist der Träger bezeichnet, der einen Boden 3 hat, der beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen, gut wärmeleitenden Material bestehen kann. Auf dem Boden 3 des Trägers ist ein Metallblock 4 montiert, der üblicherweise aus Molybdän ist. Mit diesem ist ein Halbleiterplättchen 5 fest verbunden, das beispielsweise aus Silizium sein kann. Das Siliziumplättchen ist mit Goldlötmaterial mit dem Molybdänblock verlötet. Die thermischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien, wie sie eben aufgeführt sind, sind wie folgt.

Thermische
Wärmeleitfähigkeit Wärmeausdehnung

Silizium

Molybdän

Kupfer

0,20 cal/cm ²/cm/° C/sec X 0,35cal/cm²/cm/°C/sec X 0,94 cal/cm^cm/⁰ C/sec X

4,68 χ 10-« cm/cm/°C

4,9 χ 10-" cm/cm/⁰ C

16,5 χ 10-^e cm/cm/°C

Es ergibt sich hieraus, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Molybdän ungefähr die gleichen sind, während Kupfer einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Molybdän hat. Der von dem Siliziumplättchen abfließende Wärmestrom geht durch den Molybdänblock und den Kupferträger hindurch. Da der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer zu Molybdän ein Verhältnis von fast 4:1 hat, kann die Kupferausdehnung viermal größer als die von Molybdän sein. Da die beiden miteinander verbunden¹ sind, entstehen Verbiegungen oder Wölbungen der beiden Verbundmetalle, was zu einer Beschädigung des Halbleiters oder sogar zu einem Losbrechen des Molybdänblockes führen kann. Um die Wärme aus dem Molybdän abzuführen, ist es erwünscht, daß das Molybdän auf einer Fläche angebracht ist, die selbst eine gute Wärmeleitfähigkeit hat. Da Kupfer eine solche gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wäre dieses Metall sehr vorteilhaft, wenn es nicht einen hohen Wärmeausdehungskoeffiizienten hätte.

Eine Art, um das durch Wärme verursachte Verbiegen infolge der unterschiedlichen Ausdehnung zu überwinden, besteht darin, in den Boden des Kupierträgers (s. Fi g. 2) eine Materialschicht einzubetten, deren Wärmeausdehnung etwa gleich der des Molybdäns ist, beispielsweise eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, wie sie unter dem Namen F-15 bekannt ist. F-15 ist eine Legierung, die nominell 53 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Kobalt hat. Dieses Material ist auch unter dem Namen »Kovar« bekannt. Der in Fig. 2 dargestellte Träger 10 mit dem Boden 11 trägt eingebettet ein Gitter einer Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Molybdän sehr nahe kommt. Das Gitter ist in dem Kupferboden so eingebettet, daß es auf beiden Seiten von Kupfer umschlossen ist, das sich auch durch die Maschen des Gitters hindurcherstreckt.

Beispiele von geeigneten Gittern sind in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Das Gitter 12 der F i g. 3 besteht aus einer Blechplatte einer solchen Legierung mit Löchern 16, die eingestanzt sein können, und das Gitter der F i g. 4 ist aus Streifen oder Drähten 18 dieser Legierung hergestellt, die zur Bildung eines gitterartigen Netzwerkes miteinander verschweißt sind.

Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, wie beispielsweise »Kovar«, haben eine Ausdehnung von ungefähr 5,0 · 10-⁶cm/cm/°C, eine Größe, die der von Molybdän außerordentlich nahekommt. Die thermische Leitfähigkeit ist jedoch sehr schlecht und beträgt nur einige Prozent derjenigen von Kupfer.

Die Wärmeleitung erfolgt deshalb von dem Molybdänblock durch die die Maschen des Gitters ausfüllenden Kupferteile des Bodens. Die Wärmeleitfähigkeit ist etwa proportional zur Fläche der Gittermaschen, weshalb diese in geeigneter Größe ausgebildet werden, um so den gewünschten Wärmefluß zu erreichen. Außerdem kann der Träger auf einem Halter 15 so montiert werden, daß ein zusätzlicher Wärmefluß durch die Wände des Trägers und zur Montagefläche stattfindet. Das Gitter in Kombination mit dem Kupfer verhindert die Ausdehnung des Kupfers, so daß sich insgesamt eine thermische Ausdehnung ergibt, die derjenigen von Molybdän sehr nahe kommt. Da das Gitter und das Kupfer nicht in zwei parallelen Schichten miteinander in einem Verbund vereinigt sind, so ist der Unterschied der Wärmekoeffizienten der beiden Materialien nicht kritisch, da sich keine Verbiegung hierdurch innerhalb der Konstruktion ergibt. Da »Kovar« oder andere ähnliche Legierungen auf Nickelbasis eine niedrige Ausdehnung, einen viel höheren Elastizitätsmodul und eine wesentlich höhere Streckgrenze als Kupfer haben, so widersetzen diese sich der Ausdehnung des Kupfers. Die Wärmeausdehnung der Gitter-Kupfer-Konstruktion nähert sich derjenigen von Molybdän auch über einen weiten Bereich von Gitter-Kupfer-Verhältnissen. Wenn beispielsweise das Gitter 40% des Volumens des zusammengesetzten Körpers hat, so ist die Wärmeausdehnung 6,0 · 10-⁶cm/cm/°C. Andere Verhältnisse ergeben die folgenden Werte:

:

Gittervolumen
in % der
Zusammensetzung

Wärmeausdehnung

,Z/
6,0 · 10-⁶cm/cm/°C
5,6-10-⁸cm/cm/°C
5,4-10-⁶cm/cm/°C

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In das aus Kupfer bestehende Trägermaterial werden in beliebiger Orientierung Metallteilchen statistisch verteilt eingebettet, die einen hohen Elastizitätsmodul und eine niedrige Wärmeausdehnung haben. Die eingebetteten Partikeln begrenzen die Wärmedehnung des zusammengesetzten Materials, wobei jedoch die gute Wärmeleitfähigkeit erhalten bleibt. Der ganze Träger 14 kann aus Kupfer sein, in das Partikeln 33 eingebettet sind. Die Halbleiter-Platte 30 wird dann auf einer Platte 13 aus Molybdän angebracht, die mit dem Boden 31 verbunden ist. Der Wärmefluß erfolgt nun durch den Kupferteil des Bodens 31 zu der Montagefläche 32.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 .. schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Kupfer, Patentansprüche: un(J es besteht außerdem die Gefahr, daß der HaIb-

1. Träger für Halbleiter mit einem gut wärme- leiter durch das Kupferdrahtgitter von der Lötmittelleitenden Bodenteil und aus einem metallischen schicht abgehoben wird, da deren Zentrum sich Material, das einen im Vergleich zum Halbleiter- 5 stärker erwärmt als ihr Rand, was zu einer Aufwölmaterial großen thermischen Ausdehnungskoeffi- bung des Mittelteils des Kupferdrahtgitters führen zienten besitzt, wobei der Halbleiter wenigstens kann. Insgesamt läßt sich also mit der bekannten mittelbar in wärmeleitender Verbindung mit dem Halbleitervorrichtung noch keine ausreichende Sicher-Träger angeordnet ist und in baulicher Verbin- heit gegen eine Zerstörung der Verbindung zwischen dung mit dem Bodenteil ein Gitter aus Metall zur io dem Halbleiter und dem gut wärmeleitenden Boden-Aufnahme von Wärmespannungen vorgesehen ist, teil des Trägers gewährleisten.

dadurch gekennzeichnet, daß die Aus der DT-AS 1141029 ist es ferner bekannt, Maschen des Gitters mit dem Material des Boden- zwischen einem gut wärmeleitenden Bodenteil eines teils ausgefüllt sind, daß das Gittermaterial einen Trägers und einem Halbleiter bzw. einer mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als und 15 Halbleiter verbundenen Molybdänplatte eine Auseinen Elastizitätsmodul größer als die entsprechen- gleichsplatte vorzusehen, die aus einer Vielzahl den Werte des Bodenteilmaterials hat. zylindrischer Kupferstifte besteht, die parallel zu-

2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- einander quer zur Plattenebene angeordnet sind und zeichnet, daß das Gitter aus einer mit Löchern (16) von einem Ring zusammengehalten werden. Während versehenen Platte gebildet ist. 20 die bekannte Konstruktion hinsichtlich der Wärme-

3. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- abfuhr befriedigend arbeiten dürfte, sind bei ihrer zeichnet, daß das Gitter aus Drähten (18) gebildet Herstellung zahlreiche Besonderheiten zu beachten, ist, die an ihren Kreuzungsstellen verschweißt sind. wenn das gewünschte Ergebnis erreicht werden soll,

4. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- wobei dennoch nicht verhindert werden kann, daß zeichnet, daß das Gittermaterial derart in Form 25 in den einzelnen Elementen der Ausgleichsplatte Scherstatistisch verteilter Partikeln in dem Boden- kräfte auftreten, wenn sich die beiden an sie angrenmaterial angeordnet ist, daß - die Partikeln im zenden Flächen verschieden stark ausdehnen und wo-Bodenmaterial eine Art Gitter bilden. bei diese Scherkräfte zu einer Verformung und/oder

5. Träger nach einem der vorhergehenden An- Beschädigung des Halbleiters führen können. Schließsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter- 30 lieh sind bei dieser bekannten Halbleiteranordnung material aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung wegen der ziemlich Undefinierten Verbindung der besteht. Stifte der Ausgleichsplatte mit den angrenzenden Bau-

6. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- teilen Schwankungen des ohmschen Widerstandes der zeichnet, daß zwischen dem Halbleiter und dem Anschlüsse der Halbleiteranordnung bei der Her-Bodenteil in an sich bekannter Weise eine Platte (13) 35 stellung und während des Betriebes zu besorgen, aus Molybdän angeordnet ist. Die DT-AS 12 07 501 offenbart ferner eine HaIb-

7. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekenn- leiteranordnung, bei der als Zwischenschicht zwischen zeichnet, daß in an sich bekannter Weise der einer Molybdänscheibe, auf der der Halbleiter sitzt, Bodenteil des Trägers aus Kupfer besteht. und einem aus Kupfer bestehenden Boden eine ein-

40 lagige Schicht aus Kugeln vorgesehen ist, die mit der

Molybdänscheibe und mit dem Kupferboden ver-

Die Erfindung betrifft einen Träger für Halbleiter lötet sind. Abgesehen davon, daß bei dieser bekannten

mit einem gut wärmeleitenden Bodenteil und aus Halbleiteranordnung der Wärmeübergang zwischen

einem metallischen Material, das einen im Vergleich der Molybdänplatte und dem Kupferträger gering ist,

zum Halbleitermaterial großen thermischen Aus- 45 da keine direkte Berührung zwischen beiden Teilen

dehnungskoeffizienten besitzt, wobei der Halbleiter vorhanden ist, besteht auch hier die Gefahr von Ver-

wenigstens mittelbar in wärmeleitender Verbindung formungen der Molybdänplatte und damit des HaIb-

mit dem Träger angeordnet ist und in baulicher Ver- leiters, da der Wärmedehnungskoeffizient der Kugeln

bindung mit dem Bodenteil ein Gitter aus Metall zur zwischen demjenigen der Molybdänplatte und des

Aufnahme von Wärmespannungen vorgesehen ist. 50 Bodens liegen soll.

Ein derartiger Träger für Halbleiter ist aus der Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Druckschrift »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe Band 2, April 1960, Nr. 6, Seite 69, bekannt. Der be- zugrunde, einen Träger für Halbleiter zu schaffen, kannte Träger besteht aus einem Kupfersockel, mit bei welchem eine gleichbleibend gute Wärmeabfuhr welchem der Halbleiter über eine Lötmittelschicht ver- 55 gewährleistet ist und dessen Wärmedehnung derbunden ist, in die ein Gitter aus Kupferdrähten ein- jenigen des Halbleiters so weitgehend angepaßt ist. gebettet ist. Bei der bekannten Halbleiteranordnung daß Verformungen und/oder Beschädigungen des führt die relativ große Nachgiebigkeit des Lötmittels, Halbleiters sowie Beeinträchtigungen der Verbindung insbesondere bei stärkerer Erwärmung desselben, zwischen dem Halbleiter und dem Träger mit Sicherwährend des Betriebes in Verbindung mit der ver- 60 heit vermieden werden.

gleichsweise hohen Elastizität des in das Lötmittel Diese Aufgabe wird durch einen Träger der eineingebetteten Kupferdrahtgitters zu einer Verringe- gangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäß der rung der an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Träger wirksamen Dehnungskräfte auf Grund der Maschen des Gitters mit dem Material des Bodenteils unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. 65 ausgefüllt sind, daß das Gittermaterial einen Wärme-Andererseits muß bei der bekannten Halbleiter- ausdehnungskoeffizienten kleiner als und einen Elastianordnung ein groPer Teil der Wärme durch das Lot- zitätsmodul größer ali. die entsprechenden Werte des rnitte! abgeführt w;rden. das im allgemeinen eine Bodenteilmaterials hnt.