DE2248303A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE2248303A1 DE19722248303 DE2248303A DE2248303A1 DE 2248303 A1 DE2248303 A1 DE 2248303A1 DE 19722248303 DE19722248303 DE 19722248303 DE 2248303 A DE2248303 A DE 2248303A DE 2248303 A1 DE2248303 A1 DE 2248303A1
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Description

Anmeldg. Ur. 77365/1971
vom 2. Oktober 1971
Kyoto Ceramic Kabushiki Kaisha Yamashina Higashino, Higashiyama-ku, Kyoto-shi (Japan)
Halbleiterbauelement
Me Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem isolierträger guter Wärmeleitfähigkeit, mit Hilfe dessen ein Halbleiterelement etwa auf der Mitte der Oberseite eines Metallträgers mit bestmöglichem Wärmekontakt befestigt ist. Insbesondere handelt es sich um ein als Hochfre<iuejiz-Leistungstransistor verwendbares Bauelement.
In elektronischen Geräten verwendete Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungstransistoren, geben trotz kleiner Ab* messungen hohe Leistungen ab und erzeugen dementsprechend im Betrieb relativ große Wärmemengen. Mit der Temperatur ändern sich aber auch die Eigenschaften des Bauelementes selbst, welches daher zur' Sicherstellung seiner normalen !Punktion unbedingt unterhalb spezifischer Temperaturen (im lalle von Siliziumdioden 450° C) gehalten werden muß. Man verwendet daheä? Aufbauten, welche die im Betrieb entwickelte Wärme so schnell und vollständig wie möglich an das Chassis zur Abstrahlung ableiten. Zu diesem Zweck verwendet man Keramikmaterialien hoher Leitfähigkeit im Transistorgehäuse.
Ein solcher bekannter Transistor sei nun anhand der 3?igur 5 der Zeichnungen zur Darstellung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik anhand des Standes der Technik näher erläutert. Ein Isolierträger b aus Berylliumkeramik ist mit einem Lot c aus einer eutektischen Silber-Küpfer-Legierung auf die
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gesamte Oberseite eines Metallträgers a aus hochreinem Kupfer gelötet. Sin Halbleiterelement e ist mit einem Lot f aus einer eutektischen Gold-Silber-Legierung auf die Oberseite des Isolierträgers b aufgelötet. Weiterhin besteht eine eutektische Silber-Kupfer-Lötverbindung zu den elektrisch leitenden flächen h, welche die benötigte Anzahl von leitungen g auf die Oberseite des Isolierträgers b metallisieren. Weitere elektrisch leitende Bereiche h sind mit dem Halbleiterelement θ über Drahtverbindungen 1 verbunden. Zum hermetischen Verschließen des so weit gebildeten Gehäuses mit einer Kappe wird ein metallisches Sohmelzgefäß mit einer Siliziiunharzverbindung gefüllt» das Bauelement wird in das Gefäß hineingehalten und der Kunststoff unter Anwendung von Hitze zur Bildung der Verbindung geschmolzen. Dabei wird eine Klappe d vom Querschnitt eines umgekehrten U luftdioht zu einem Stück mit dem restlichen Gehäuse verbunden, wobei die Teile die in Figur 5 gezeigte Anordnung bilden. Ein derartiger Aufbau schließt nicht nur das Halbleiterelement e durch die Kappe d von der Außenluft ab, sondern erlaubt auch eine relativ schnelle Abführung der im Betrieb entstehenden Wärme vom Element e zu einem nicht dargestellten Chassis über den wärmeleitenden Isolierträger b und den Metallträger a.
Ein in dieser Weise aufgebauter Leistungstransistor ist Jedooh noch hinsichtlich der folgenden Funkte problematisch.
1) Zuverlässigkeit im gewünschten Betriebsverhaltent Die durch Wärmeschmelzung einer Silikonharzverbindung erhaltene Kappe d ist nur in begrenztem Maße luftdicht (nämlich maximal 10""^Corr) so dafl im Laufe der Jahre des Betriebs Verschlechterungin eintreten, die insbesondere unter klimatischen und Temperatureinflüssen voranschreiten. Dadurch werden aber die Eigenschaften des Bauelementes im laufe der Jahre verschlechtert, und die Zuverlässigkeit des Bauelementes läßt nach.
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Z) Beeinträchtigungen der mechanischen Festigkeit infolge wiederholter the rmie eher Belastungen: Ein Transistor der erwähnten Art muß auch extremen Temperaturbedingungen in ausreichendem Maße widerstehen können. Aus diesem Grunde werden solche Transistoren wiederholten Abkühl- und Erhitzungsteeten im Temperaturbereich von -60° bis +150° G unterworfen. Bei dem vorbeschriebenen Transistor befindet eich der Isolierträger b in Kontakt mit der ganzen Oberfläche des Metallträgers a. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kupfers des Metallträgers ist jedoch etwa zweimal so groß wie derjenige des Berylliums des Isolierträgers (der lineare Wäraeausdehnungskoeffizient beträgt 15 σ 10 gegenüber 7 x 10 ). Daher konzentrieren sich infolge der Unterschiedlichen Wärmeauedehnung die mechanischen Belastungen auf die Zwischenflache sswischen den beiden Trägern a und b, wenn die wiederholten Kühl- und Heizfolgen durchgeführt werden, und da die Kontaktflächen der Träger a und b sich über die gesamte Verbindungsfläche erstreckt, führt eine Wiederholung solch strenger Temperaturteets zu Brüchen und Hissen infolge der mechanischen Beanspruchung an der einen Seite des Isolierträgers b und zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Transistors.
Die gleichen Verhältnisse liegen en den Verbindungsstellen des Isolierträgers b mit den Leitungen g vor. Die Ergebnisse der Abkühl- und Erhitaungstests haben schließlich gezeigt, daß solche Transistoren gegenüber Wärmebeanspruchungen außerordentlich anfällig sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Lösung der unter Punkt 1) und 2) erläuterten Probleme. Insbesondere soll ein Halbleiterbauelement geschaffen werden, welches gegen Brüche und Bisse infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen von Isolierträger und Metallträger unempfindlich ist. Weiterhin soll es unempfindlich gegen Brüche und Bisse an den Verbindungsstellen der Träger mit den Stromanschlußteilen sein.
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Gleichzeltig soll auch die Luftdichtigkeit dee hermetischen Abschlusses verbessert werden.
Die Erfindung 1st im folgenden anhand der Barstellungen eines Ausführungebeispiele näher erläutert. Es zeigt!
Fig. 1 einen Schnitt durch einen nach der Erfindung ausgebildeten Hochfrequenz-Leistungatransistor;
Fig. 2 eine Ansicht gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1 j Fig. 3 einen vergrößerten Auaechnitt aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Veranschaulichung der Größenverhältnisse !zwischen Halbleiterelement und Isolierträger und
Fig. 5 einen teilweise gebrochenen Querschnitt durch einen Hoc hfrequenz-Leistungstransistor nach dem Stande der Technik.
In den Figuren 1 und 2 ist ein niohtoxydlerender Kupferboleen als Metallträger 1 dargestellt. In der Mitte der Oberseite des Metallträgers 1 ist ein Isolierträger 2 zur Halterung des Bauelementes 4 mit einem Lötmittel 3 aus einer eutektischen Gold-Silber-Verbindung bei etwa 800° G angelötet worden. Der Isolierträger 2 ist scheibenförmig ausgebildet und besteht aus gut wärmeleitendem Keramikmaterial, beispielsweise aus Berylllumkeramik. Der Isolierträger 2 hat einen etwas kleineren Durchmesser, als es nach dem anhand von Fig. 5 dargestellten Stande der Technik der Fall ist, so daß der Metallträger nur innerhalb eines kleinen Bereiches etwa in der Mitte seiner Oberseite mit ihm verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Isolierträgers etwa halb so groß wie derjenige des Metallträgers. Gemäß Fig. 4 breitet sich von dem Halbleiterelement 4 ein Wärmeauabreitungskegel nach unten aus, dessen Seitenflächen etwa unter einem Winkel Q « verlaufen. Die Unterfläche D des Isolierträgers 2 ist gleich
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groß oder gegebenenfalls etwas größer als die Unterfläche des durch den Isolierträgers verlaufenden Kegels, dessen Höhe t ist.
Ein weiteres Isolierteil 6 umgibt den Isolierträger 2 außerhalb in einem kleinen Abstand 10, ohne ihn au berühren. Ein isolierendes Gehäuseteil 7 ist mit der Oberseite des Isolierteils 6 über eine elektrisch leitende Pläche 9 zu einem Teil verbunden. Das Isolierteil 6 dient zur Befestigung am Metallträger 1 und zur Verbindung der Leitungen, während das Gehäuseteil 7 der Befestigung einer Kappe 8 dient. Sowohl das Isolierteil 6 wie auch das Gehäuseteil 7 verhalten sich nicht nur günstiger hinsichtlich der Wärmeleitung, sondern zeichnen sich auch durch besondere mechanische !Festigkeit (bei hohen Temperaturen) aus. Sie bestehen aus Keramikmateriäl, welches sieh au einem Körper sintern läßt, beispielsweise zusammengesintertes Aluminiumkeramikmaterial. Die beiden Teile werden derart miteinander vereinigt, daß zwei Aluminiumausgangsma,terialieri., die durch ein übliches Mehrschichtverfahren in zylindrische Formen geschmolzen worden sind, zu einem Körper zusammengesintert werden, wobei einer unter Zwischenlage eines elektrisch leitenden Plächenmaterials 9 über den anderen gelegt und beide zusammengesintert werden. .
Im einzelnen wird ein ringförmiges, elektrisch leitendes-I1Iachenteil 9 (hier mit vier Anschlüssen dargestellt) mit Unterbrechungen 13 gemäß Pig. 2 durch Aufdrucken einer Wolframpaste oder Wolfram-Mangan-Iegierungspaste 9 auf die Oberfläche des Isolierteiles 6 aus einem unbearbeiteten AliMinirankeramikmaterial ausgebildet, und ein Gehäuseteil 7 aus. einem eben solchen Material wird zur Befestigung einer Kappe geeigneter Höhe auf das so gebildete Isolierteil aufgelegt,- Dana, werden das Gehäuseteil 7 und das Isolierteil β unter einer reduzierenden Atmosphäre von 1600 Ms 1700° 0 zu einem Körper zusammengesintert, wobei die gedruckten lläclieiiteile 9 metallisieren. Die metallisierten Plächenteile 9 ¥@rd©n daxm auf ihren frei-
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liegenden Oberflächen mit einer Mickelschichi? 91 plattiert und dann bei etwa 1000° C in reduzierender Atmosphäre nochmals gesintert. Anschließend werden sie mit einer dünnen Schicht eines lote 5 aus einer eutektischen Gold-Silber-Iegierung bei 300° C überzogen. Auf diese Weise wird auch das mit dem Gehäuseteil 7 zu einem Stück verbundene Isolierteil mit einem lot 3 aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung auf der Oberseite des Metallträgers 1 befestigt. Mit Hilfe eines lots 5 aus einer eutektische?1 .ild-Silber-legierung wird das Halbleiterelement 4 auf der Oberseite des Isolierteils 2 befestigt. Ferner wird das Halbleiterelement 4 nit Hilfe von Drähten 11 mit den einzelnen leitenden llächenteilen 9 verbunden. Mit den Ilächenteilen 9 des Isolierteils 6 sind ferner vier Leiter 12 über eine Gold-Silber-Lötschiclxt 5 verbunden, die unter Verwendung eines eutektischen Silber-Kupfer-Legierungslote 3 auf den Flächenteilen 9 ausgebildet ist.
Nachdem die Verbindungen in dieser Weise hergestellt sind, wird eine scheibenförmige Kappe 8 mit einem eutektischen Gold-Silber-Legierungslot 5 auf der Oberseite des Gehäuseteils 7 befestigt» so daß ein luftdichter Abschluß entsteht, womit der Aufbau beendet ist. Pur die luftdichte Kappe 8 wird ein Material wie beispielsweise eine Kobalt-Mlokel-Eisen-Legierung, die unter dem Handelsnamen "Kovar" bekannt ist, verwendet, die außerordentlich dicht ist und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der etwa gleich demjenigen von Aluminiumkeramikmaterialien ist. Auch lassen sich Metalle wie Molybdän oder Wolfram oder auch andere Keramikinaterialien und Glas von gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Aluminiumkeramikmaterial verwenden, um einen hermetischen Abschluß von außerordentlich großer Luftdichtigkeit (schätzungsweise 10 Torr) zu erreichen.
Bei der beschriebenen Ausbildung eines Leistungstranslstors wird die Verlustwärme vom Halbleiterelement 4 vom Isolierteil P aus Berylliumkeramik, welches unmittelbar unter dem Element 4
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angeordnet ist, durch den kupfernen Metallträger 1 zum Chassis abgeleitet, so daß sich eine geeignete Betriebstemperatur für das Bauelement 4 einstellt. Ein wesentliches Merkmal des hier ': beschriebenen Halbleiterbauelementen besteht darin* daß der Isolierträger 2 so klein gemacht wird, daß er nicht die gesamte Oberseite des Metallträgers berührt» sondern nur innerhalb eines möglichst kleinen Bereiches mit diesem in Kontakt tritt, der ausreichend ist, um die Hitze auf die Mittelfläche des Metallträgers abzuleiten» lerner ist die Yerwendung eines Isolierteils 6 aus AluminiT3Äeramik von Bedeutung, welches die gleichen guten WärmeIeitungseigenschaften und mechanischen Eigenschaften wie das Material des Isolierträgers 2 hat und auch im thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem Berylliumkeramikmaterial übereinstimmt "and. dennoch eine doppelt so große Festigkeit erbringt, da es das Isolierteil 2 nicht berührt, sondern im Abstand von ihm ist. IPönaer trägt das Isolierteil 6 die !leitungen 12. Auch bringt die Sinterung des Isolierteiles 6 mit dem Gehäuseteil 7 gleicher Eigenschaften zn einem einzigen mehrschichtigen Teil Vorteile hinsichtlich des hermetischen Abschlusses im oberen Teil des G-öhäuses mit eier Kappe 8 aus luftdichtem Material.
Die Verringerung der Berührungsfläche zwischen dem Isolierträger 2 und dem Metallträger 1 führt bei dem hier beschriebenen' Aufbau zu einer wesentlichen Verringerung der thermischmechanischen Belastung an der Zwischenflache zwischen den beiden Teilen, welche durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Berührungsfläche bestimmt ist, so daß der Ausbildung von Brüchen und Rissen entgegengewirkt wird, welche durch die Konzentration der Belastung bei wiederholten Kühl- und Erhitzungstests an der Endfläche des Isolierträgers entstehen wurden. Andererseits zeichnet sich das Isolierteil 6, an welchem die leitungen 12 befestigt sind, durch verbesserte Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit aus, so daß dementsprechend, selbst wenn das Isolierteil 6 sich in Kontakt mit
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der Oberseite des Metallträgers 1 und den Leitungen 12 über einen relativ großen Mchenbereieh befindet und an ihnen befestigt ist und ein großer Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen diesen Bauteilen besteht, nicht nur die Überlegenheit dieser Teile hinsichtlich der mechanischen Festigkeit die Entstehung von Brüchen und Hissen verhindert, sondern auch der zwischen dem Isolierträger 2 und dem Isolierteil 6 bestehende Zwischenraum thermische Beeinflussungen zwischen diesen beiden Teilen verhindert.
Der vorbeschriebene Transistor zeigt infolge seiner erläuterten Konstruktionsmerkmale wesentlich geringere thermisch bedingte mechanische Beanspruchungen als bekannte Transistoren. Infolge der beschriebenen Konstruktion kann das bisher angewendete Verfahren des Einfüllens von Kunstharzpulver unter Hitze und Druck zum hermetischen Abschluß des Gehäuses und der Kappe aufgegeben werden, stattdessen kann eine plattenförmige Kappe 8 verwendet werden, welche einen hermetischen Abschluß ermöglicht, so daß der Transistor auch Über lange Betriebszeiten luftdicht abgeschlossen bleibt und sich in seinen Eigenschaften nicht verändert. Die eingangs unter Punkt 1) und 2) erwähnten Probleme, welche bei bekannten Transistorgehäusen auftreten, lassen sich auf diese Weise zufriedenstellend lösen.
Wenn vorstehend die Erfindung auch am Beispiel eines Hochfrequenz-Leistungstransistors beschrieben ist, so eignen sich ihre wesentlichen Merkmale auch zur Herstellung von anderen Halbleiterbauelementen, beispielsweise Thyristoren oder Triacs oder sonstige zur Leistungsregelung verwendeter Elemente, ferner für integrierte Leistungsschaltungen. Die entsprechenden Materialien, Teileformen und Größen des Metallträgers 1, des Isolierträgers 2, des Isolierteils 6, des isolierenden Gehäuseteils 7 und der Kappe 8 sowie das Material der Leitungen 12, Materialform und Anzahl der Anschlüsse des elektrisch leitenden Flächenteils 9, die Metallisierungsverfahren, das Verlöten der
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Teile usw., was alles vorstellend im Hahmen des erläuterten Beispiels beschrieben ists ist in keiner Weise als Beschränkung der Erfindung aufzufassen»

Claims (8)

  1. -10-Patentansprüche
    1^Halbleiterbauelement mit einem Isolierträger guter Wärmeleitfähigkeit, mit Hilfe dessen ein Halbleiterelement etwa auf der Mitte der Oberseite eines Metallträgers mit bestmöglichem Wärmekontakt befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger (2) im Abstand von einem Isolierteil (6) guter Wärmeleitfähigkeit und großer mechanischer Peat! ~lreit umgeben ist und daß mindestens ein mit dem Halbleiterelement (4) verbundenes elektrisch leitendes Plächenteil (9) durch die Verbindungsfläche dee Isolierteils (6) mit einem weiteren Gehäuseteil (7) geführt ißt, und daß das gut wärmeleitende und mechanisch feste Isoliergehäuse mit einer Kappe (Θ) luftdicht verschlossen ist.
  2. 2) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (4) einen Iieistungstransistor darstellt, daß der Isolierträger (2) aus Berylliumkeramik besteht, daß der Metallträger (1) aus hochreinem Kupfer besteht, daß das Isolierteil (6) aus Aluminiumkeramikmaterial besteht, und daß das isolierende Gehäuseteil (7) ebenfalls aus Aluminiumkeramik besteht und mit dem Isolierteil (6) zu einem Körper zusammengesintert ist.
  3. 3) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche des Isolierträgers (2) gleich groß oder geringfügig größer als die Bodenfläche des Wärmeausbreitungskegels (Pig. 4) ist, der sich im Isolierträger (2) zwischen dem Halbleiterelement (4) und dem Metallträger (1) mit einem Seitenflächenwinkel von etwa 45° ausbildet.
  4. 4) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Elächenteil (9) zwischen dem Isolierteil (6) und dem isolierenden Gehäuseteil (7) durch
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    ein auf eine Gehäuse te !!oberfläche aufgedrucktes Material gebildet ist, welches beim Zusammensintern" des Isolierteils (6) mit dem Gehäuseteil (7) metallisiert.
  5. 5) Halbleiterbauelement nach Anspruch 4* dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende ELächenteil (9) aus einer Mehrzahl ringsegmentförmiger Teile besteht, die durch Aussparung von Zwischenräumen voneinander getrennt sind.
  6. 6) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger (2) mit dem Metallträger (1) über ein Lot aus einer eutektischen Silber-Kupfer-legierung verbunden ist.
  7. 7) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (4) mit dem Isolierträger (2) über ein Lot aus einer eutektischen Gold-Silber-Legierung verbunden ist.
  8. 8) Halbleiterbauelement nach Anspruch 2j, dadurch gekennzeichnet, daß die luftdichte Kappe scheibenförmig ausgebildet ist und auB einer Kobalt-Nickel-Eisen-legierung (Handelsname «Kovar«) besteht.
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