DE2039806A1 - Semiconductor component with pressure contacts - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterscheibe mit einem oder mehreren PIi-Ubergangen, die mit mindestens einer Trägerplatte verbunden und mittels Druckkontakten kontaktiert ist.The invention relates to a semiconductor component with a semiconductor wafer with one or more PIi transitions starting with connected to at least one carrier plate and by means of pressure contacts is contacted.
Es ist bekannt, zur großflächigen Kontaktierung von Halbleiterscheiben mit einem oder mehreren Pli-Üb ergangen wie leisbungsgleichrichter oder Leistungsthyristoren Molybdän- oder Wolframseheiben zu verwenden, die gleichzeitig als Trägerplatte*! für die sehr spröden Halbleiterscheiben dienen. Wolfram oder Molybdän werden deswegen verwendet, weil sie den besten Kompromiß zwischen Wärmeleitvermögen, leitfähigkeit und thermischem Ausdehnungskoeffizienten bieten, denn ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient muß mit dem Ausdehnungskoeffizienten etwa übereinstimmen, den die Halbleiterscheibe besitzt. Es wäre sonst nicht möglich, die Trägerplatten stoffschlüssig mit der Halbleiterscheibe zu verbinden, was bisher zur guten Wärmeabfuhr und zur guten elektrischen Stromleitung erforderlich erschien.It is known for large-area contacting of semiconductor wafers with one or more Pli-transfers such as power rectifiers or power thyristors, molybdenum or tungsten disks to be used as a carrier plate *! for the very brittle semiconductor wafers are used. Tungsten or molybdenum are used because they represent the best compromise between thermal conductivity, conductivity and thermal expansion coefficient because of their thermal expansion coefficient must roughly match the expansion coefficient, which the semiconductor wafer possesses. Otherwise it would not be possible for the carrier plates to be firmly bonded to the semiconductor wafer to connect what previously appeared to be necessary for good heat dissipation and good electrical current conduction.
Die Verwendung von Wolfram o$er Molybdän als Träger- und Kontaktplatten ist nun nachteilig. Einmal bereitet es Schwierigkeiten, Scheiben aus Molybdän oder Wolfram mit einer Halblei~ terocheibe aus Germanium oder Silizium stoffschlüssig zu verbinden. Hierzu sind mehrere Möglichice it en bekannt geworden. Marx bat beispielsweise die Halbleiterscheibe und die Wolfram- oder Molybdänscheibe mit einer oder mehreren Metallschichten aus Kupfer oder Hiekel überzogen und die Scheiben dann hart oder weich verlötet. Bs ist auch bekannt, Schichten aus Wolfram oder Molybdän dir&kt durch Zersetzung der entsprechenden Halogenide oder Carbonyle auf der Halbleiterscheibe abzusoh eiden. Man hatThe use of tungsten or molybdenum as carrier and contact plates is now disadvantageous. Once it was difficult to find disks made of molybdenum or tungsten with a semi-conductor to connect terocheibe made of germanium or silicon materially. Several possibilities for this have become known. Marx asked for example the semiconductor wafer and the tungsten or molybdenum wafer with one or more metal layers Copper or Hiekel coated and the disks then hard or soft soldered. Bs is also known to be layers of tungsten or Molybdenum is produced by the decomposition of the corresponding halides or carbonyls deposited on the semiconductor wafer. One has
l'.jt -1 'ISaV Vt/i'i '', l'.jt -1 'ISaV Vt / i'i'',
203S80C203S80C
auch schon Zwischenschichten verwendet, beispielsweise aua Aluminium, die sowohl mit dom Halbleitermaterial als auch mit dem Wolfram oder Molybdän legierungen bilden. Auf alle Fälle ist aber die stoffschlüssige Verbindung zweier Scheiben, die eine aus einem Halbleitermaterial und die andere aus Wolfram oder Molybdän, ein schwieriger Vorgang, der vermieden v/erdenintermediate layers have also been used, for example ouch Aluminum, both with dom semiconductor material and with Form alloys of tungsten or molybdenum. In any case, however, the material connection between two panes is the one made of a semiconductor material and the other made of tungsten or molybdenum, a difficult process that must be avoided
sollte. ;should. ;
Die Träger- beziehungsweise Kontaktplatte wird normalerweise auf eine Kühlvorrichtung aufgesetzt, die auch dor Strumabfuhr dient und normalerweise aus Kupfer hergestellt ist. Der unterschiedlichen Ausdeiinungskoeff izienten wegen ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einer Wolfram- oder Molybdänscheibe und einem Kupferblock sehr schwierig, und solche stoffschlüssigen Verbindungen waren auch häufig den thermischen Wechselbelastungen, wie sie beim Halbleiterbetrieb auftreten, : nicht gewachsen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, werden ; häufig Druckkontakte verwendet. jThe carrier or contact plate is normally placed on a cooling device, which is also used for drainage and is usually made of copper. The different Due to expansion coefficients, there is a material bond between a tungsten or molybdenum disk and a copper block very difficult, and such material connections were often thermal Alternating loads as they occur in semiconductor operation: not grown. To get around this difficulty, be; often used pressure contacts. j
Die Verwendung von Wolfram oder Molybdän als Träger- oder Kontaktplatte ist auch deswegen nachteilig, weil ihre thermische und elektrische leitfähigkeit,gemessen an anderen Metallen, verhältnismäßig schlecht sind. Wäre die thermische Leitfähigkeit v. Wolfram oder Molybdän besser, 30 könnte mehr Wanne aus der Halbleiterscheibe abgeführt und das Bauelement stärker belastetThe use of tungsten or molybdenum as a carrier or contact plate is also disadvantageous because its thermal and electrical conductivity, compared to other metals, is proportionate are bad. If the thermal conductivity were v. Tungsten or molybdenum better, 30 could be more tub from the semiconductor wafer dissipated and the component is more heavily loaded
werden. 1will. 1
Die Erfindung will einen Weg angeben, v/ie die bisherigen, durch die Kontaktierung bedingten Nachteile bei Halbleiterbauelementen vermieden v/erden können. iThe invention aims to provide a way of dealing with the previous disadvantages in semiconductor components caused by the contacting can be avoided. i
Die Erfindung geht von einem Halbleiterbaueleuent mit einer Halbleiterscheibe mit einem oder mehreren Pii-Übergangen aus, die mit mindestens einer Trägerplatte verbunden und mittels Druckkon takt en kon taktiert ist, und ist dadurch golccinn^eirvimat daß an die Halbleiterscheibe eine dluiue, ncipffürrnigc Elektrode aus einem duktilen Material angesetzt ist, in die die Trager-The invention relates to a semiconductor component having a Semiconductor wafer with one or more Pii junctions, which are connected to at least one carrier plate and by means of Druckkon takt en is contacted, and is thereby golccinn ^ eirvimat that on the semiconductor wafer a dluiue, ncipffürrnigc electrode made of a ductile material, into which the carrier
BADORlQiNALBADORlQiNAL
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oder Kontaktplatte lose eingelegt ist, und daß die Druckkontakte · Ior contact plate is loosely inserted, and that the pressure contacts · I
j an der Träger- oder Kontaktplatte und an der der napfförmigen jj on the carrier or contact plate and on that of the cup-shaped j
! Elektrode gegenüberliegenden Seite der Halbleiterscheibe angrei-l fen. ! Attack the electrode on the opposite side of the semiconductor wafer.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
an beiden Seiten der Halbleiterscheibe napfförmige Elektroden
zu verwenden und in beide Elektroden !'rager- oder Kontaktplatten
einzulegen. Diese Ausführungsform kann in Seheibenzellen
verwendet werden, bei denen die Wärmeabfuhr aus der Halbleiterscheibe beidseitig erfolgt.An expedient development of the invention consists in
cup-shaped electrodes on both sides of the semiconductor wafer
to use and to insert into both electrodes! 'rager or contact plates. This embodiment can be used in disc cells
can be used in which the heat is dissipated from the semiconductor wafer on both sides.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sollten die beiden
Träger- oder Kontaktplatten gleiche Durchmesser aufweisen, um
die mechanische Belastung der Halbleiterscheibe symmetrisch
zu machen. Es lassen sich dann zum Kontaktieren höhere Drücke
anwenden, ohne daß eine Bruchgefahr zu befürchten ist.In this embodiment of the invention, the two should
Carrier or contact plates have the same diameter to
the mechanical load on the semiconductor wafer is symmetrical
close. Higher pressures can then be used for contacting
use without fear of breakage.
Wenn die Kontakt- oder Trägerplatte auf der einen Seite der
Halbleiterscheibe mit einem Schlitz oder dergleichen versehen
wird, um beispielsweise den Anschluß zur Steuerelektrode des
Halbleiterbauelementes herzustellen beziehungsweise einzulegen, so sollte mindestens die Napfelektrode auf der anderen Seite
der Halbleiterscheibe ebenfalls mit einem solchen Schlitz versehen sein, und zwar ebenfalls der Drucksynunetrie wegen«If the contact or carrier plate on one side of the
Semiconductor wafer provided with a slot or the like
is to, for example, the connection to the control electrode of the
Produce or insert semiconductor component, so should at least the cup electrode on the other side
the semiconductor wafer must also be provided with such a slot, also due to the pressure synchronicity "
Die napfförmigen Elektroden werden zweokmäßigerweise aus Silber i hergestellt und sollen mindestens 0,05 mm dick sein. Es ist zwar; bekannt, bei Druckkontakten dünne Zwischenschichten aus Silber | zu verwenden. Sie liegen dort aber zwischen einer Träger- oder jThe cup-shaped electrodes are made of silver i and should be at least 0.05 mm thick. It is true; known to use thin intermediate layers of silver for pressure contacts | to use. But they are there between a carrier or j
ί Kontaktplatte aus Molybdän oder Wolfram und einer Druckkoii- ! taktelektrode oder zwischen der mit einer legierungsschicht aus j Gold-Antiiuon-]?olie versehenen Halbleiterscheibe und der Kontakt-i platte. Die Träger- oder Kontaktplatben können zwar auch aus ! Wolfram, Molybdän oder Tantal hergestellt werden. Noch zweck- j mäßiger ist es, die Träger- oder Koiitalttp.latten aus hartem Eup- ! fer oder einer harten Kupferlegierung herzustellen, da dadurch :ί Contact plate made of molybdenum or tungsten and a pressure tube! clock electrode or between the with an alloy layer of j Gold-Antiiuon -]? Olie provided semiconductor wafer and the contact-i plate. The carrier or contact plates can also be made! Tungsten, molybdenum or tantalum can be produced. Still purpose- j It is more moderate to use the support or Koiitalttp.latten made of hard Eup! fer or a hard copper alloy, as this:
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\.-f i 1 (l· VJiAi-.;;? t... \ .- fi 1 (lVJiAi -. ;;? t ...
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die Wärmeabfuhr aus der Halbleiterscheibe besser wird und die
Scheibe elektrisch stärker belastet werden kann.the heat dissipation from the semiconductor wafer is better and the
Disc can be subjected to higher electrical loads.
Man kann die Halbleiterscheibe noch nach geeigneter Vorbehandlung, z. B. Vernickelung, vergolden und die Kontakt- oder Trägerplatten mit Hartmetallschichten versehen.The semiconductor wafer can still be used after suitable pretreatment, z. B. nickel plating, gold plating and the contact or carrier plates are provided with hard metal layers.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines beidseitig kontaktierten Halbleiterbauelementes beschrieben.In the following, the invention is contacted on the basis of a contact made on both sides Semiconductor component described.
Figur 1 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäß kontaktierten Halbleiterbauelement es in aus einarid ergezogener Anordnung.Figure 1 is a representation of a contacted according to the invention Semiconductor component in a single-arid arrangement.
Figur 2 zeigt das fertig kontaktierte Halbleiterbauelement.FIG. 2 shows the fully contacted semiconductor component.
In der Figur 1 ist mit "1" eine Halbleiterscheibe bezeichnet ! worden, die aus Silizium oder Germanium bestehen kann. Die Halb-· leiterscheibe 1 ist mit mehreren PN-Übergängen versehen worden. Sie kann beispielsweise das aktive Element eines Thyristors sein.In FIG. 1, "1" denotes a semiconductor wafer! which can consist of silicon or germanium. The half conductor disk 1 has been provided with several PN junctions. For example, it can be the active element of a thyristor.
Der Rand der Scheibe ist auf bekannte Weise doppelseitig ab- i geschrägt, um die Durchschlagsfestigkeit der Scheibe zu erhöhen.: "2" und "3" bedeuten zwei napfförmige Elektroden, die mit ihren : Böden der Halbleiterscheibe 1 gegenüberstehend angeordnet sind. ; Diese Elektroden 2 und 3 sind aus Silberblech angefertigt wor- , den, dessen Stärke mindestens 0,05 mm betragen sollte. Man kann l aber auch ein anderes duktiles Material verwenden, das die j The edge of the disk is bevelled on both sides in a known manner in order to increase the dielectric strength of the disk. : "2" and "3" mean two cup-shaped electrodes with their: are disposed opposite bottoms of the semiconductor wafer. 1 ; These electrodes 2 and 3 are made of sheet silver, the thickness of which should be at least 0.05 mm. Can be l, but use a different ductile material that the j
I II I
notwendige thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt. jhas the necessary thermal and electrical conductivity. j
"4"· und "5" sind Metallseheiben, die als Kontakt- oder Träger- j"4" · and "5" are metal washers that are used as contact or carrier j
platten dienen. Diese Metallscheiben müssen die notwendige Iplates serve. These metal disks must have the necessary I
Härte aufweisen, um als Druckwiderlager für die Halbleiter- ! Have hardness to be used as a thrust bearing for the semiconductor !
scheibe 1 dienen zu können. Ihr thermischer Ausdehrmngskoeffi- ■
zient braucht dagegen nicht mit dem Ausdehnungskoeffizienten
der Halbleiterscheibe übereinzustimmen, da eine stoffschlüssi- .
ge Verbindung nicht erfolgt. Weiterhin ist ea erforderlich, |
daß diese Metallscheiben 4 und 5 bei radialer Ausdehnung gegen- :
über dem Material der napfförmigen Elektroden 2 und 3 gleiten :disk 1 to serve. Your thermal expansion coefficient, on the other hand, does not need ■ to match the expansion coefficient
to match the semiconductor wafer, since a material bond. ge connection not established. Furthermore ea is required, | that these metal disks 4 and 5 with radial expansion opposite : slide over the material of the cup-shaped electrodes 2 and 3:
„ 5 - i"5 - i
20980 9/070920980 9/0709
PaM K I (10K) U)V'Ί ΛιPaM K I (10K) U) V'Ί Λι
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
können. Um die Gleiteigensehaften eier Metalls ehe ib en 4 und 5 gegenüber den Elektroden 2 mid 3 unter Druck zu verbessern, kann man dieMetallscheiben mit einer Schicht aus nickel oder Chrom versehen und polieren.can. About the sliding properties of a metal before ib en 4 and 5 to improve compared to the electrodes 2 and 3 under pressure, the metal disks can be coated with a layer of nickel or Chrome plating and polishing.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der Metallscheiben 4 und 5 gleich groß. Dadurch wird auf die Halbleiterscheibe ein symmetrischer Druck ausgeübt, so daß der Kontaktdruck erhöht werden kann, ohne die Bruchgefahr zu vergrößern. In the illustrated embodiment, the diameters of the metal disks 4 and 5 are the same. This will affect the Semiconductor wafer exerted a symmetrical pressure, so that the contact pressure can be increased without increasing the risk of breakage.
Die Metallseheiben 4 und 5 können - aber brauchen nicht - aus Molybdän, Wolfram oder Tantal bestehen. Vorteilhafter ist es-, wenn man hierfür Metalle oder Legierungen mit einem besseren thermischen und elektrischen Leitvermögen verwendet. Beispiele hierfür sind Hartkupfer oder Kupferlegierungen.The metal disks 4 and 5 can - but need not - consist of molybdenum, tungsten or tantalum. It is more advantageous if you use metals or alloys with better thermal and electrical conductivity for this purpose. Examples for this purpose, hard copper or copper alloys are used.
Die Figur 2 zeigt das Halbleiterbauelement zusammengesetzt in dem Zustand, in dem es beispielsweise in ein Druckkontaktgeliäuse eingebaut werden kann, vorzugsweise in eine Scheibenzelle. Die napfförmigen Elektroden 2 und 3 sind an der Halbleiterscheibe 1 mittels eines Silikonkautschuks 10 fixiert, und die Metallseheiben 4 und 5 sind lose in die Elektroden 2 und 3 eingelegt worden. Ihre Lage wird durch den Rand der Elek- | troden 2 und 3 festgelegt. Das Druckkontaktgehäuse ist nicht j dargestellt worden, da es sich um ein bekanntes Druckkontaktgehäuse handeln kann. ' FIG. 2 shows the semiconductor component assembled in the state in which it is, for example, in a pressure contact housing can be installed, preferably in a disc cell. The cup-shaped electrodes 2 and 3 are on the semiconductor wafer 1 fixed by means of a silicone rubber 10, and the metal washers 4 and 5 are loosely in the electrodes 2 and 3 have been inserted. Their location is determined by the edge of the elec- | trodes 2 and 3. The pressure contact housing has not been shown because it can be a known pressure contact housing. '
Die Kontaktierung der Halbleiterscheibe 1 wird also erfindungsgemäß so durchgeführt, daß zwischen der Halbleiterscheibe 1 und irgendwelchen Anschlußelektroden keine stoffechlüssigen Verbindungen-mehr erforderlich sind· Hieraus ergeben sich viele j Vorteile funktlonelier und fertigungsmäßiger Art. Einmal braucht! man auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient ten zwischen der Halbleiterscheibe und den Kontakt- oder Trä- | gerplatten keine Rücksicht mehr zu nehmen, da die einzelnen j.The contacting of the semiconductor wafer 1 is therefore according to the invention carried out so that between the semiconductor wafer 1 and no connection electrodes of any kind Connections-more are required · This results in many j Advantages of a functional and manufacturing type. Needs once! one on the different thermal expansion coefficient th between the semiconductor wafer and the contact or carrier | gerplatten no more consideration, since the individual j.
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BAD QRiüMALBATHROOM QRiüMAL
PH 4 FI (1063.5000/EA> PH 4 FI (1063.5000 / EA>
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Kontaktflächen bei Erwärmung in radialer Richtung gegenseitig gleiten können, wie es auch bei den bekannten Druckkontakten der Pail ist. Da man auf die Verwendung von Wolfram, Molybdän oder Tantal als Trägerplatte für die Halbleiterscheibe verdienten kann, kann man Materialien mit einem besseren elektrischen j und thermischen Leitvermögen verwenden. Dadurch wird die im j aktiven Element entstehende Wärmemenge besser abgeführt, so dfißContact surfaces can slide against each other when heated in the radial direction, as is the case with the known pressure contacts the pail is. Because of the use of tungsten, molybdenum or tantalum as a carrier plate for the semiconductor wafer materials with better electrical and thermal conductivity can be used. Thereby the in the j The amount of heat generated by the active element is better dissipated, so dfiss
das Halbleiterbauelement hoher belastet werden kann. Schließ- ; lieh ist es nicht mehr erforderlich, die fertig hergestellte i Halbleiterscheibe zur Kontaktierung einer nachträglichen Wärmebehandlung zu unterwerfen, die mit Lot- oder Legierungsachritten immer verbunden ist, so daß man Verspannungen im System vermeidet.the semiconductor component can be subjected to higher loads. Closing; It is no longer necessary to borrow the finished i To subject the semiconductor wafer to a subsequent heat treatment for contacting, which involves soldering or alloying steps is always connected so that tension in the system is avoided.
Um die thermischen und elektrischen Übergänge zwischen der Halbleiterscheibe 1 und den Elektroden 2 und 3 zu verbessern, kann man die Oberflächen der Halbleiterscheibe unter Einfügung einer Zwischenschicht, z. B. aus Nickel, noch vergolden.In order to improve the thermal and electrical transitions between the semiconductor wafer 1 and the electrodes 2 and 3, you can the surfaces of the semiconductor wafer with the insertion of an intermediate layer, for. B. made of nickel, still gilding.
Es sei noch auf einen besonderen Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktierung hingewiesen. Es ist erfindungsgemäß nicht erforderlich, in die Halbleiterscheiben Kontaktschichten einzulegieren, was bisher bei Hochleistungshalbleiterbauelementen als notwendig erachtet wurde. Es lassen sich vielmehr auch rein diffundierte Halbleiterbauelemente erfindungsgemäß kontaktieren,! die nur mit einer eingesinterten Kontaktschicht versehen Bind. I Hierdurch lassen sich in vielen Fällen erhebliche Verbesserun- j gen im Verhalten der Bauelemente selbst erreichen.It should also be noted that there is a particular advantage of the invention Contacting pointed out. According to the invention, it is not necessary to alloy contact layers in the semiconductor wafers, which was previously known as was deemed necessary. Rather, purely diffused semiconductor components can also be contacted in accordance with the invention! which are only provided with a sintered-in contact layer. I In many cases, this allows considerable improvements gen in the behavior of the components themselves.
BAD OHiOiKALBAD OHiOiKAL
— 7 ~- 7 ~
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Claims (8)
Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes in einer Träger- oder Kontaktplatte sowie in der zugehörigen napfförmigen
Elektrode zumindest die napfförmige Elektrode auf der anderen Seite der Siliziumscheibe mit einer ebensolchen Öffnung versehen ist.Semiconductor component according to one or more of Claims 2 to 8, characterized in that if an opening is present for contacting the
Control electrode of the semiconductor component in a carrier or contact plate and in the associated cup-shaped
Electrode at least the cup-shaped electrode on the other side of the silicon wafer is provided with such an opening.
Priority Applications (8)
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