DE1614653C3 - Halbleiteranordnung hoher Strombelastbarkeit - Google Patents

Halbleiteranordnung hoher Strombelastbarkeit

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Description

Körper aus halbleitenden Stoffen oder Verbindungen, beispielsweise aus Silizium, sind, in geeigneter Form und nach entsprechender Vorbehandlung für den Einsatz in Halbleiteranordnungen, in vielen Fällen durch Lötung mit metallischen Bauteilen, die zur Stromleitung und/oder zur Ableitung der Verlustleistungswärme dienen, flächenhaft kontaktiert.
Infolge der unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der für die Lötkontaktschichten verwendeten Materialien entstehen besonders beim Einsatz von Halbleiter-Gleichrichtern hoher Strombelastbarkeit in den großflächigen Kontaktbereichen transversale mechanische Beanspruchungen, insbesondere des Halbleitermaterials, die häufig zum Ausfall der
Halbleiteranordnung führen.
Zur Vermeidung dieser unerwünschten Erscheinungen wurde bei bekannten Ausführungsformen von Halbleiteranordnungen die Halbleiterscheibe beidseitig über Kontaktscheiben, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient angenähert demjenigen des Halbleitermaterials entspricht, mittels eines geeigneten Weichlotes mit Stromleitungsbauteilen fest verbunden. Diese Halbleiteranordnungen zeigen jedoch in Anwendungsfällen mit sogenannter Temperaturwechselbelastung, bei welcher der Schichtaufbau der Anordnung infolge von häufigem, beispielsweise zyklischem Wechsel von Nennlast und Leerlauf einem entsprechenden Wechsel der Betriebstemperatur unterworfen ist, nur sehr kurze Lebensdauer, da bei dieser Belastungsart infolge von Veränderungen im Kristallgefüge des Weichlotes, der sogenannten Kristallermüdung durch Korngrenzenveränderungen, Risse in der Lotschicht auftreten und dadurch der Schichtaufbau der Halbleiteranordnung zerstört wird. Die Kristallermüdung tritt um so früher und um so stärker auf, je höher bei wechselnder Belastung die Betriebstemperatur-Differenzen sind.
Im Rahmen der ständig fortschreitenden Entwicklung der Halbleitertechnik sind niedrigschmelzende Lote hoher Festigkeit bekanntgeworden, sogenannte Halbleiter-Hartlote, weiche bei der vorbeschriebenen extremen Belastungsart nicht plastisch werden, sondern elastisch bleiben und daher eine hohe Temperaturwechselfestigkeit aufweisen. Der Temperaturbereich des Schmelzpunktes dieser Lote liegt unter 4500C, so daß Löttemperaturen keinen ungünstigen Einfluß auf die Eigenschaften des Halbleitermaterials haben können. Als besonders vorteilhaft haben sich Gold-Zinn-Lote, Gold-Germanium-Lote und Gold-Silizium-Lote erwiesen. Halbleiteranordnungen, welche Kontaktschichten mit diesen Loten aufweisen, zeigen effektiv höhere Temperaturwechselfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Weichlotkontakten. Versuche haben ergeben, daß unter gleichen Bedingungen Gold-Zinn-Kontaktschichten zwischen metallischen Kontaktbauteilen eine beträchtlich längere Lebensdauer aufweisen als beispielsweise Bleilotkontakte.
Es haben sich jedoch bei der Kontaktierung von Halbleiterscheiben mit Stromleitungsbauteilen und/ oder Kontaktscheiben, beispielsweise aus Molybdän, die mit solchen Halbleiter-Hartloten durchgeführt wurde, weiterhin Schwierigkeiten ergeben. Die während des Herstellungsverfahrens oder beim Einsatz auftretenden mechanischen Beanspruchungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien des Schichtenaufbaues — auch der Molybdän-Kontaktscheibe gegenüber dem Halbleitermaterial —, werden nunmehr infolge der Elastizität des Halbleiter-Hartlotes und der Kontaktscheibe auf das Halbleitermaterial übertragen und führen in vielen Fällen bereits bei der Fertigung zur Zerstörung des Halbleitermaterials.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine großflächige, wirtschaftliche Halbleiteranordnung hoher Strombelastbarkeit für den Einsatz unter Temperaturwechselbelastung zu schaffen, bei der eine zwischen Halbleiterscheibe und angrenzenden Kontaktbauteilen und/oder zwischen metallischen Kontaktbauteilen unterschiedlichen Materials angeordnete Schicht bzw. Schichtenfolge aus Kontaktmaterialien ohne Kristallermüdung die in aneinandergrenzenden Bauteilen entstehenden mechanischen Spannungen aufnimmt und durch
Ausgleich derselben das Halbleitermaterial vor unerwünschten mechanischen Beanspruchungen schützt und damit eine optimale Temperaturwechselfestigkeit der
j Halbleiteranordnung gewährleistet.
j Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung
hoher Strombelastbarkeit, bei der eine großflächige Scheibe aus halbleitendem Material mit Kontaktschei-. ben, welche einen annähernd derjenigen des Halbleitermaterials entsprechenden linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, und die Kontaktscheiben mit elektrisch und/oder thermisch gut leitenden Kontaktstücken bzw. metallischen Bauteilen durch Lötung flächenhaft fest verbunden sind.
Es sind Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen die vorzugsweise in einem Diffusionsverfahren vorbehandelte und einen Kontaktmetallüberzug aufweisende Halbleiterscheibe mittels eines Gold-Zinn-Lotes mit weiteren Kontaktbauteilen, beispielsweise mit einer aus Molybdän bestehenden Kontaktscheibe fest verbunden ist. Dabei ist auf den gegebenenfalls aus Nickel bestehenden Überzug eine Schicht aus einem die Benetzung fördernden Metall, vorzugsweise aus Gold oder Silber, aufgebracht. Diese Schicht dient jedoch lediglich zur Erzielung einer guten flächenhaften Verbindung zwischen dem Kontaktüberzug des Halbleitermaterials und dem Halbleiter-Hartlot und wird von dem Halbleiter-Hartlot unter Bildung eines ternären Sytems nahezu vollständig aufgenommen. Die Aufgabenstellung, nämlich die Schaffung einer optimal temperaturwechselbeständigen Halbleiteranordnung, die mittels Halbleiter-Hartlot erzielte Kontaktschichten aufweist, liegt diesen bekannten Ausführungsformen nicht zugrunde.
Aus der USA.-Patentschrift 30 25 439 ist ein Verfahren zur Befestigung einer Silizium-Halbleiterscheibe auf einem Trägerkörper bekannt, welches die Aufgabe, einen für Betriebs- und Lagerungstemperaturen von 3000C geeigneten Kontakt zu erzielen, dadurch löst, daß die jeweils zu verbindenden Flächen der aneinandergrenzenden Bauteile mit einer Goldschicht versehen werden und daß mit Hilfe einer Folie aus einem eutektischen Gold-Germanium-Lot zwischen den vergoldeten Kontaktflächen und durch Legieren eine feste Verbindung der Bauteile erzielt wird. Durch diesen
»bekannten Stand der Technik sind jedoch weder die Problemstellung, nämlich die Kontaktschwierigkeiten bei für Temperaturwechselbelastung vorgesehenen Gleichrichterelementen, noch Maßnahmen zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ausgewiesen.
Weiterhin ist aus der deutschen Auslegeschrift 1100818 ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einer Halbleiterscheibe und mit mehreren Elektroden bekannt. Zur Gewährleistung bestimmter Eigenschaften des Halbleitermaterials sollte eine zur Kontaktierung der Halbleiterscheibe vorgesehene Gold-Kontaktschicht in einem bestimmten Bereich vorgegeben werden. Dazu wurde vorgeschlagen, eine mit der Halbleiterscheibe zu verbindende WoIframronde bei entsprechend hoher Temperatur in einem Legierungsprozeß mit einer Goldschicht zu versehen. Die Verbindung der Ronde mit der Halbleiterscheibe soll dann durch einen Legierungsprozeß im Zusammenhang mit der Erzeugung des pn-Übergangs erfolgen. Nachdem dieses bekannte Verfahren einen Hartlotprozeß betrifft, bei dem die im Zusammenhang mit niedrigschmelzenden Loten bezüglich Temperaturwechselbelastung auftretenden Kontaktschwierigkeiten infolge Kristallermüdung nicht gegeben sind, führt es
nicht zur Lösung der diese Problemstellung betreffenden Aufgabe.
Dann ist aus der deutschen Auslegeschrift 10 18 557 ein Verfahren zur Herstellung von gleichrichtenden Legierungskontakten an Halbleiterkörpern bekanntgeworden, bei dem eine Germaniumscheibe mit Hilfe einer Indiumschicht mit einer vergoldeten Molybdänronde verbunden und die letztere mittels einer Gold-Germanium-Antimon-Legierung mit Anschlußleitern kontaktiert wird. Zu diesem Zweck soll aus den einzelnen Bauteilen ein Stapel gebildet und einem Legierungsprozeß bei etwa 7000C unterworfen werden. Auch dieser bekannte Stand der Technik offenbart weder die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe noch Maßnahmen zu deren Lösung.
Entsprechendes ist auch zu dem in der französischen Patentschrift 14 45 390 ausgewiesenen Stand der Technik festzustellen, wonach bei Halbleiterdioden mit rohrförmiger Glasumhüllung eine Halbleitertablette zwischen zwei stempeiförmigen Stromzuführungen angeordnet ist, die letzteren mit einer Lotmetallschicht z. B. aus Silber bedeckt sind und sämtliche Teile in einem Verfahrensschritt lötbar sind.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der jeweils zur gegenseitigen Verbindung vorgesehenen Bauteile eines Schichtenaufbaues an den zur Lotkontaktierung bestimmten Flächen mit wenigstens einem duktilen Überzug vorbestimmter Dicke aus einem Edelmetall versehen ist, und daß jeweils einander zugeordnete Edelmetallüberzüge und eine zwischengefügte Schicht eines Halbleiterlotes hoher mechanischer Festigkeit durch Lötung zu einer thermisch ermüdungsfreien Kontaktschichtenfolge verbunden sind, die jeweils wenigstens eine duktile Schicht zur Aufnahme und zum Ausgleich betriebsbedingter mechanischer Spannungen aufweist.
Die nach der Erfindung vorgeschlagene Halbleiteranordnung weist die den bekannten Anordnungen anhaftenden Nachteile nicht auf. Sie zeigt darüber hinaus die wesentlichen Vorteile, daß die Kontaktschicht bei Kontaktierung von metallischen Bauteilen eine unerwünschte Phasenbildung zwischen Halbleiter-Hartlot und Bauteil-Material und damit eine Versprödung der Kontaktmaterialien verhindert, daß die Kontaktschichtenfolge für alle Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen mit und ohne pn-Übergang geeignet ist, daß für die Herstellung von großflächigen Halbleitergleichrichtern wesentlich dünnere Kontaktscheiben aus Molybdän genügen, welche einen geringeren Wärmewiderstand aufweisen und außerdem infolge ihrer geringeren Materialstärke wirtschaftlicher hergestellt werden können, und daß durch Verwendung solcher dünnen Kontaktscheiben größere Durchmesser derselben zum Einsatz bei Halbleitergleichrichtern größerer aktiver Fläche herstellbar sind.
Weiterhin weisen die Kontaktschichten der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung gegenüber bekannten Anordnungen außer dem Halbleiter-Hartlot mindestens eine metallische Schicht auf, die auch nach dem Lötprozeß als wirksame duktile Schicht erhalten bleibt mit den besonderen Eigenschaften, in den Kontaktmaterialien entstehende mechanische Spannungen aufzunehmen und auszugleichen und auch bei Wechselbelastung mit extremen Betriebstemperatur-Differenzen das Halbleitermaterial vor Zerstörung zu schützen.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungs-
beispiels ist der Aufbau und die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung aufgezeigt und erläutert. Die Figur zeigt einen vollkommen symmetrischen Aufbau eines Halbleitergleichrichters, wobei die Bezeichnung der einzelnen Schichten zwecks Übersichtlichkeit nur für eine Hälfte der Schichtenfolge durchgeführt ist.
Die nach einem der bekannten Verfahren dotierte Halbleiterscheibe 1 trägt beidseitig eine Kontaktmetallschicht 2, beispielsweise aus Nickel, auf der ein duktiler Überzug 3 aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Silber angeordnet ist, der beispielsweise durch Aufdampfen oder Abscheiden hergestellt sein kann. Eine Kontaktscheibe 6 aus Molybdän trägt in entsprechender Weise beidseitig auf einer die Kontaktierung fördernden Zwischenschicht 7 einen duktilen Silberüberzug 8. Zur flächenhaften Verbindung von Halbleiterscheibe 1 und Kontaktscheibe 6 dient ein sogenanntes Halbleiter-Hartlot 5, vorzugsweise ein eutektisches Gold-Zinn-Lot. Der Silberüberzug 8 auf der Kontaktscheibe 6 kann beispielsweise durch Aufschmelzen oder Aufwalzen aufgebracht sein. Durch die Anordnung von je einem duktilen metallischen Überzug auf einander zugeordneten Kontaktflächen von aneinandergrenzenden Kontaktbauteilen kann die Dicke der Kontaktscheibe 6 im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiteranordnungen wesentlich verringert werden. Beispielsweise beträgt bei bekannten Ausführungsformen von Halbleitergleichrichtern die Dicke der Kontaktscheibe 3 mm, bei dem nach der Erfindung vorgeschlagenen Schichtenaufbau jedoch vorzugsweise nur 0,5 mm. Das bedeutet aber, daß die Kontaktscheiben nicht mehr durch Sägen aus Stangenmaterial, sondern bedeutend wirtschaftlicher durch Ausstanzen aus Tafeln erzielt werden können. Im Rahmen dieser vorteilhaften Herstellung von Kontaktscheiben können diese Tafeln bereits mit vorgegebenen, durch Aufschmelzen oder Aufwalzen aufgebrachten Kontaktzwischenschichten, beispielsweise aus Nickel, und auch mit dem duktilen metallischen Überzug versehen sein, wodurch sich eine vorzügliche Haftfestigkeit der einzelnen Kontaktschichten und dadurch eine größere Betriebssicherheit der Halbleiteranordnung ergibt. Weiterhin kann für die auf diese Weise zu erzielenden Kontaktscheiben 6 ein größerer Durchmesser vorgegeben werden, wodurch Halbleiteranordnungen mit größerer aktiver Fläche, d. h. für höhere Strombelastbarkeit herstellbar sind.
Über die Kontaktscheibe 6 ist die Halbleiterscheibe 1 weiterhin mit Stromleitungsbauteilen 11 kontaktiert, die aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material bestehen, vorzugsweise aus Kupfer, und für die flächenhafte Verbindung mittels eines geeigneten Halbleiterlotes 10 in vorbezeichneter Weise, bedarfsweise über eine metallische Zwischenschicht 12, einen duktilen Edelmetallüberzug 13 aufweisen.
Die Dicke des Edelmetallüberzugs, der jeweils an einer oder beiden Kontaktflächen von Halbleiterscheibe und Kontaktscheiben und an der zugeordneten Kontaktfläche des Stromleitungsbauteils fest aufgebracht ist, richtet sich nach der durch die Flächenausdehnung der Kontaktschichten bestimmten mechanischen Beanspruchungen des Schichtenaufbaues der Halbleiteranordnung und beträgt mindestens 2 um, vorzugsweise 5 bis 10 μιη.
Um die Elastizität der Halbleiter-Lotschicht gegenüber den auftretenden mechanischen Beanspruchungen zu gewährleisten, beträgt ihre Dicke vorzugsweise 30
Außer eutektischem Gold-Zinn-Lot mit 80 Gewichtsprozent Gold und 20 Gewichtsprozent Zinn eignen sich als weitere elastische Halbleiterlote hoher Festigkeit eutektisches Gold-Germanium-Lot und eutektisches Gold-Silizium-Lot für den erfindungsgemäßen Kontaktschichtenaufbau.
Es besteht auch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Kontaktschichtenfolge unter Verwendung von hochschmelzenden Halbleiter-Hartloten auszubilden, deren Schmelzpunkt im Temperaturbereich von etwa 600 bis 800°C liegt. Dabei hat sich insbesondere ein Silber-Kupfer-Lot und ein Silber-Kupfer-Palladium-Lot, jeweils in eutektischer Zusammensetzung, als vorteilhaft erwiesen. Um eine Reaktion dieser Lote mit dem duktilen Silberüberzug zu verhindern und die erforderliche Dicke derselben zu gewährleisten, muß vor der Durchführung des Lötprozesses auf dem jeweiligen Silberüberzug der zu verbindenden Kontaktflächen eine metallische Zwischenschicht, beispielsweise aus Nickel, angeordnet werden.
Eine andere Ausführungsform einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine Halbleiterscheibe 1 einseitig mit der Kontaktscheibe 6 bereits durch Legieren oder Hartlöten und auf der abgewandten Seite über einen Silberüberzug und durch Lötung in vorbeschriebener Weise mit einer Kontaktscheibe und über die Kontaktscheiben erfindungsgemäß mit Stromleitungsbauteilen fest verbunden ist.
Als weitere Edelmetalle sind für diesen duktilen Überzug außer Silber vorzugsweise Gold oder Palladium geeignet.
Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung sind nicht auf die aufgezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es bestehen zahlreiche Möglichkeiten, Halbleiterkörper, die nach bekannten Verfahren dotiert sind und gegebenenfalls mindestens einen pn-Übergang aufweisen können, in beliebigem Schichtaufbau mit angrenzenden Kontaktbauteilen über einen jeweils auf jeder der einander zugeordneten Kontaktflächen aufgebrachten duktilen Edelmetallüberzug fest zu verbinden. Es können bedarfsweise auch zwei oder mehr duktile Überzüge geeigneter Dicke aus Silber und/oder Gold und/oder Palladium angeordnet sein, um in gewünschter Weise eine vorteilhafte Abstufung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kontaktschichtmaterialien zu erzielen.
Beim Aufbau einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung wird je nach Ausführungsform die vorbereitete Halbleiterscheibe 1 ein- oder beidseitig, beispielsweise durch Aufdampfung, mit einem duktilen Edelmetallüberzug 3 geeigneter Dicke versehen. In weiteren Verfahrensschritten wird die Halbleiterscheibe mit vorbereiteten, ebenfalls einen duktilen Edelmetallüberzug 8 gleichen oder anderen Materials aufweisenden Kontaktscheiben 6 mittels Halbleiter-Hartlot 5, 10 und
M) bedarfsweise im gleichen oder in einem folgenden Verfahrensschritt in entsprechender Weise mit Stromleitungsbauteilen 11 fest verbunden, die für die Lötkontaktierung geeignet vorbehandelt sind und einen duktilen Überzug 13 aufweisen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung hoher Strombelastbarkeit, bei der eine großflächige Scheibe aus halbleitendem Material mit Kontaktscheiben, welche einen annähernd demjenigen des Halbleitermaterials entsprechenden linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, und die Kontaktscheiben mit elektrisch und/oder thermisch gut leitenden Kontaktstücken bzw. metallischen Bauteilen durch Lötung flächenhaft fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der jeweils zur gegenseitigen Verbindung vorgesehenen Bauteile eines Schichtenaufbaus an den zur Lotkontaktierung bestimmten Flächen mit wenigstens einem duktilen Überzug vorbestimmter Dicke aus einem Edelmetall versehen ist, und daß jeweils einander zugeordnete Edelmetallüberzüge und eine zwischengefügte Schicht eines Halbleiterlotes hoher mechanischer Festigkeit durch Lötung zu einer thermisch ermüdungsfreien Kontaktschichtenfolge verbunden sind, die jeweils wenigstens eine duktile Schicht zur Aufnahme und zum Ausgleich betriebsbedingter mechanischer Spannungen aufweist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duktile Überzug aus einem der Edelmetalle Silber, Gold oder Palladium besteht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der duktile Überzug aus zwei oder mehr Teilschichten der Edelmetalle Silber und/oder Gold und/oder Palladium besteht.
4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des duktilen Überzugs mindestens 2 μίτι, Vorzugsweise 5 bis 10 μπι, beträgt.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß niedrigschmelzende Halbleiterlote hoher mechanischer Festigkeit, vorzugsweise Gold-Zinn-Lote, Gold-Germanium-Lote oder Gold-Silizium-Lote in jeweils eutektischer Zusammensetzung zusammen mit dem duktilen Überzug eine gewünschte Kontaktschichtenfolge bilden.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hochschmelzende Halbleiterlote, vorzugsweise Silber-Kupfer-Lote und Silber-Kupfer-Palladium-Lote in jeweils eutektischer Zusammensetzung zusammen mit dem duktilen Überzug eine gewünschte Kontaktschichtenfolge bilden.
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