DE2317514C2

DE2317514C2 - Solder connection between a semiconductor body and a carrier part

Info

Publication number: DE2317514C2
Application number: DE19732317514
Authority: DE
Inventors: Erich 7800 Freiburg Anders
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Filing date: 1973-04-07
Publication date: 1976-09-02

Description

Lotverbindung zwischen einem plattenförmigen Nach der Lehre der vorstehend genannten deut-Halbleiterkörper und einem mit einer Metallauflage sehen Patentschrift 1489 075 wird ein solches Verversehenen Trägerteil bekannt, wob^i die Metall- hälteis des Gewichtes der Gegenelektrode zu ihrer auflage mit in die als Lotschicht verwendete Legie- Auflagefläche gewählt, daß die Kapillarkräfte beim nmgselektrode ragenden Erhöhungen in Form eines 40 Lötvorgang ausreichen, um zwischen der Süicium-Waffelmusters versehen ist. Durch eine solche Lot- scheibe und den Elektroden einen Lotfilm von etwa verbindung sollen schädliche durch Wärmespannun- 0,1 mm Dicke zu erzielen. Dabei wird von der Ergen verursachte Scherkräfte vermieden werden, kenntnis ausgegangen, daß es für den Wärmedehwelche bei Fehlen der Erhöhungen durch Wulstbil- nungsausgleich von großer Bedeutung ist, daß der dung des erstarrenden Lotes am Rande der Lotver- 45 zwischen den erhabenen Flächen und der Siliciumbindung zu Rissen im Halbleiterkörper führen kön- scheibe entstehende Lotfilm eine gewisse Mindestnen und letzten Endes durch unterschiedliche War- dicke von 0,1 mm aufweistSolder connection between a plate-shaped according to the teaching of the above-mentioned German semiconductor body and a patent 1489 075 with a metal coating, such a provided carrier part is known, whereby the metal holding the weight of the counter electrode to it support selected with in the alloy support surface used as a solder layer that the capillary forces when The elevations protruding from the nmgselelectrode in the form of a soldering process are sufficient to provide between the silicon waffle pattern. Such a solder disk and the electrodes create a solder film of about Connection should achieve harmful thermal stresses of 0.1 mm thickness. In doing so, the shear forces caused by the Ergen are avoided, knowing that it is of great importance for the thermal expansion in the absence of the elevations through bead formation compensation that the The formation of the solidifying solder on the edge of the solder joint between the raised surfaces and the silicon bond can lead to cracks in the semiconductor body

meausdehnungskoeffizienten der benachbarten Mate- Nachteil des bekannten Verfahrens der deutschen rialien an der Lotverbindung entstehen. Patentschrift 1489 075 ist, daß bei vorgegebenenCoefficient of expansion of the neighboring mate- Disadvantage of the known method of the German rials arise on the solder joint. Patent 1489 075 is that when given

Bei Verwendung der Erhöhungen als Abstandhai- 30 Kapillarkräften und gegebenem Gewicht der Gegenter bei der bekannten Lotverbindung zur Oberfläche elektrode im Verhältnis zu ihrer Auflagefläche sich eines Halbleiterkörpers würden die vielen Auflage- nur eine bestimmte Lotschichtdicke einstellen kann, punkte etwa 30 bis 40 % der gesamten Kristallfläche Da beim bekannten Verfahren auch nicht von einem ausmachen und damit die thermischen Scherkräfte Waffelmuster abgegangen wird, ergibt sich zwangsnicht mehr auffangen, selbst wenn ein Lot verwendet 55 läufig, daß über einen größeren Teil der Gesamtfläche würde, das keine Ermüdungserscheinungen bei ther- der Lotverbindung eine optimale Lotfilmdicke nicht mischen Wechselbeanspruchungen aufwiese. Es ist erzielbar ist.When using the elevations as a distance shark 30 capillary forces and given weight of the Gegenenter in the known solder connection to the surface electrode in relation to its contact surface itself a semiconductor body would have the many layers only a certain solder layer thickness can be set, points about 30 to 40% of the total crystal surface. With the known method, not even from one make up and so that the thermal shear forces waffle pattern is removed, there is inevitably no more absorbing, even if a solder is used 55 that over a larger part of the total area that there would be no signs of fatigue in the case of the solder joint not having an optimal solder film thickness mix alternating loads. It is achievable.

bekannt, daß besonders Blei-Zinn-Lote solche schäd- Aufgabe der Erfindung ist daher, bei geringemknown that especially lead-tin solders such harmful object of the invention is therefore at low

liehen Ermüdungserscheinungen bei Wechselbean- Kostenaufwand eine optimale Dicke der Lotschichten spruchungen von Halbleitergleichrichtern zeigen, so 60 über nahezu der Gesamtfläche der Lotverbindung daß die Lotverbindung allmählich gelockert wird. reproduzierbar und definiert einzustellen.lent signs of fatigue with alternating costs an optimal thickness of the solder layers Stresses from semiconductor rectifiers show, so 60 over almost the entire area of the solder connection that the solder connection is gradually loosened. can be set reproducibly and in a defined manner.

Bei einem ähnlichen Verfahren der deutschen Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-In a similar method to the German one. According to the invention, this object is thereby achieved

Auslegeschrift 1 272 457 wird ein mit einer als Sam- löst, daß die Grundfläche der Erhöhungen weniger melbecken für das schmelzende Lot dienenden Öff- als 5⁴/o der Gesamtfläche der Lorverbindung ausnung oder Vertiefung bzw. Öffnungen oder Vertie- _6j macht, daß mindestens drei Erhöhungen am Trägerfung,sn versehener Trägerteil zusätzlich mit Erhöhun- teil angebracht sind, deren Höhe 20 bis 100 μπι begen in Form kreuzweise eingepreßter Kerben verse- trägt, und daß ein Weichlot verwendet wird, welches hen und eine Oberflächenseite des zu verlötenden mit dem Halbleitermaterial nicht legiert.Auslegeschrift 1 272 457 is a with one as Sam- solves that the base area of the elevations makes less _{opening or depression or openings or depression 6j} ^{serving for the melting solder than 5 4} / o of the total area of the Lor connection three elevations on the support, sn provided carrier part are additionally attached with elevation part, the height of which 20 to 100 μπι begen in the form of criss-cross pressed notches, and that a soft solder is used, which hen and a surface side of the to be soldered with the semiconductor material not alloyed.

Vorzugsweise werden Weichlote mit Schmelzpunk- führungsbeispiel betrag die Höhe der Erhöhungen 2 ten von mehr als 250° C verwendet; normalerweise über der sonst ebenen Flachs 3 des Trägerteils 1 30Soft solders with a melting point guide amount to the height of the elevations 2 are preferred used at more than 250 ° C; normally above the otherwise flat flax 3 of the carrier part 1 30

weisen die üblichen Blei-Zinn-Weichlote Schmelz- μπι und der Abstand 4 2 mm. Durch die Erhöhiin-have the usual lead-tin soft solders melting μπι and the distance 4 2 mm. Through the increase

punkte von weniger als 250° C atf. In diesem Zu- gen 2 ist bei leichter Druckausübung auf den HaIb-points less than 250 ° C atf. In this train 2, if slight pressure is exerted on the half

sammenhang wurden Zinn-Gold-Weichlote und "5 leiterkörper 5 gewährleistet, daß bei Schmelzen desrelated tin-gold soft solders and "5 conductor body 5 were guaranteed that when the melted

Blei-Silber-Indium-Weichlote mit einem Schmelz- Lotes 6 die Dicke der Lotschicht genau und reprodu-Lead-silver-indium soft solders with a fusible solder 6 accurately and reproduce the thickness of the solder layer

punkt von mehr als 250⁰C als geeignet ermittelt. zierbar durch die Höhe der Erhöhungen 2 eingestelltpoint of more than 250 ⁰ C determined as suitable. can be set by adjusting the height of the elevations 2

Diese Weichlote weisen auch im Vergleich zu her- ist. Es ergibt sich auch der Vorteil, daß das ge-These soft solders also show in comparison to is. There is also the advantage that the

kömmlichen Blei-Zinn-Loten im allgemeinen gerin- schmolzene Lot sich ungehindert und weitgehendconventional lead-tin solders in general, melted solder freely and largely

gere Eijaüdungserscheinungen bei Wechselbeanspru- io blasenfrei im Zwischenraum zwischen der Träger-more signs of fatigue in the event of alternating loads, bubble-free in the space between the

chungenauf. fläche 3 und der auf den Erhöhungen 2 liegendenchungenauf. surface 3 and lying on the elevations 2

Die Bedingung, daß das verwendete Weichlot mit Oberflächenseite des Halbleiterkörpers 5 ausfüllenThe condition that the soft solder used fill with the surface side of the semiconductor body 5

dem Halbleitermaterial nicht legiert, kann stets da- kann. Da die Auflagefläche zwischen dem HaIb-not alloyed with the semiconductor material, can always be. Since the contact surface between the half

durch eingehalten werden, daß zwischen bzw. an der leiterkörper 5 und den Erhöhungen gegenüber derbe observed by that between or on the conductor body 5 and the elevations compared to the

zu verlötenden Oberfläche des Halbleiterkörpers eine 15 Gesamtfläche der Lotverbindung vemachlässigbarTo be soldered surface of the semiconductor body a 15 total area of the solder connection negligible

Zwischenschicht verwendet wird, die ein Legieren klein ist, liegt praktisch eine einheitliche LotschichtIntermediate layer is used, which is an alloying small, is practically a uniform solder layer

des Weichlotes mit dem Halbleitermaterial aus- gleichmäßiger Dicke vor.of the soft solder with the semiconductor material of uniform thickness.

schließt. Durch eine solche Zwischenschicht ist ge- Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig I istcloses. An intermediate layer of this type ensures that the exemplary embodiment according to FIG

währleistet, daß die Eigenschaften und die Dicke der ein Trägerteil 1 aus Kupfer in den Stahlbodenteil 7ensures that the properties and the thickness of a support part 1 made of copper in the steel base part 7

Lotverbindung m der Großfertigung reproduzierbar ao eines Gehäuses eingepreßt. Da die Erhöhungen 2 beiSolder connection m the large-scale production reproducibly ao pressed in a housing. Since the increases 2 at

bleiben. diesem Einpreßvorgang bereits gleichzeitig herge-remain. this press-in process is already carried out at the same time

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der stellt werden können, ist kein zusätzlicher Arbeits-Zeichnung erläutert, deren gang erforderlich, so daß die Realisierung einer Lot-The invention will be presented below on the basis of which is not an additional working drawing explained, the course of which is necessary so that the realization of a soldering

Fig. 1 eine Lotverbindung nach einer Ausfüh- verbindung nach der Erfindung kaum Mehrkosten1 shows a solder connection according to an embodiment connection according to the invention, hardly any additional costs

rungsform der Erfindung im Längsschnitt durch 35 veruisachen dürfte.Approximation form of the invention in longitudinal section through 35 is likely to veruisachen.

einen Trägerteil und den daran angelöteten Halb- In der Fig.2, in der die Schnittlinie A-A strich-a support part and the half soldered to it In Figure 2, in which the line of intersection AA dashed

leiterkörper und die punktiert eingetragen ist, entlang der der Trägerteil 1conductor body and which is entered in dotted lines along which the carrier part 1

Fig.2 einen Trägerteil in Aufsicht veranschauli- der Fig. 1 senkrecht zur Lotfläche geschnitten wor-FIG. 2 shows a top view of a carrier part, FIG. 1 cut perpendicular to the solder surface.

^cnen" -.^r .. . ^⁶¹¹ *^st' ^{smd v}'^er Erhöhungen 2 gezeichnet. Wie an ^cnen "-. ^ r ... ^ ⁶¹¹ * ^st ' ^{smd v} ' ^er ridges 2 drawn. As at

Em Vorteil der Lotverbindung nach der Erfindung _{30 H}and der vorstehenden Beschreibung der Herstelbesteht in der leichten Herstellbarkeit des Träger- lung _emer Lotverbindung nach der Erfindung ohne teils 1, der im Hinblick auf eine gute Wänneablei- weiteres erkennbar ist, genügen bereits drei Erhebuntung vorzugsweise aus Kupfer gefertigt wird. Die _gen (Dreipunktlagerung), um sicherzustellen, daß renach der Erfindung vorgesehenen Erhöhungen 2 wer- _produzierbar definierte Lotschichtdicken erhalten den ohne Fertigungsschwierigkeiten mittels eines em- _{35 wer}den.
fachen Prägevorganges hergestellt. Bei einem Aus-Em advantage of the soldered joint according to the invention _{30 H} and the above description of Herstelbesteht in ease of manufacture of the carrier lung _emer solder joint according to the invention partly without 1, which further in view of a good Wänneablei- be seen already satisfy three Erhebuntung preferably from Copper is manufactured. The _gene (three point support), to ensure that renach the invention proposed increases advertising 2 _per ducible defined solder layer thicknesses obtained without the manufacturing difficulties by means of an em- _{35 who} the.
multiple embossing process produced. At an exit

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Semiconductor body brought over the opening. In the case of patent applications for this method, however, a deterioration in the heat dissipation must be accepted.

1. Lötverbindung zwischen einem plattenför- Bei der Lotverbindung nach Anspmch 1 wirdzwimigen Halbleiterkörper und einem eine Oberflä- t sehen der Oberflachenseite des zu verlotenden Halbchlnseite des Halbleiterkörpers bedeckenden kiterkörpers und dem Tragwkotper eme Weichlot-Trägerteil, der mit in die Lotechicht zwischen schicht angeordnet, um die Scherkräfte welche auf dem Halbleiterkörper und dem Trägerteil ragen- Grund der unterschiedhdien thermischen Ausdehdea Erhöhungen auf einer ebenen Lotfläche ver- nungskoeffizienten vom rfalbleitermatenal und dem sehen ist, dadurch gekennzeichnet, ίο Material des Tragerteils auftreten, aufzufangen. Die daß die Grundfläche der Erhöhungen (2) weniger Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es bei als 5 »/ο der Gesamtfläche der Lötverbindung aus- einer besonderen Dickenbemessung und Zusammenmacht, daß mindestens drei Erhöhungen (2) am Setzung der Weichlotechicht ohne wesentliche Ver-Trägerteil (1) angebracht sind, deren Höhe 20 bis schlechterung der Wärmeableitung möglich ist, 100 um beträgt, und daß ein Weichlot verwendet 15 Ermüdungserscheinungen in der Weichlotschicht wird, welches mit dem Halbleitermaterial nicht auszuschließen. Auf Grund dieser Erkenntnis ergab [_egi_ert sich die Notwendigkeit, in der Großfertigung die1. Solder connection between a plattenför- In the solder connection according to claim 1 iszwimigen semiconductor body and a surface t see the surface side of the half-side of the semiconductor body to be soldered covering kiterkörpers and the Tragwkotper eme soft solder carrier part, which is arranged in the solder layer between layer to the shear forces which protrude on the semiconductor body and the carrier part due to the differing thermal expansions, increases on a flat soldering surface, the reduction coefficients of the semiconductor material and the see, characterized in that the material of the carrier part occurs. The invention that the base area of the elevations (2) is less is based on the knowledge that at than 5 »/ ο of the total area of the soldered connection from a special thickness dimensioning and making up at least three elevations (2) on the settlement of the soft solder layer without substantial Ver-support part (1) are attached, the height of which is 20 to deterioration of the heat dissipation is possible, 100 .mu.m, and that a soft solder is used. Due to this realization gave _[e gi is _ert the need in the big production, the

2. Lotverbindung nach Anspruch 1, dadurch Dicice der Lotschicht reproduzierbar und genau eingekennzeichnet, daß die Erhöhungen (2) und der zustellen. .2. Solder connection according to claim 1, characterized in that the dicice of the solder layer reproducibly and precisely that the elevations (2) and the deliver. .

Trägerteil (1) einen einheitlichen Körper bilden, ao Die Erfindung betrifft one Lotverbindung zwischenSupport part (1) form a unitary body, ao The invention relates to a solder connection between

3. Lotverbindung nach Anspruch 1 oder 2, ge- einem plattenförmigen Halbleiterkörper und einem kennzeichnet durch einen Trägerteil (1) aus Kup- eine Oberflächenseite des Halbleiterkörper bedeckenfer und einen Halbleiterkörper (5) aus Silicium. den Tiägerteil, der mit in die Lotschicht zwischen3. solder connection according to claim 1 or 2, a plate-shaped semiconductor body and a characterized by a carrier part (1) made of copper covering a surface side of the semiconductor body and a semiconductor body (5) made of silicon. the Tiägteil, which is in the solder layer between

4. Lotverbindung nach einem der Ansprüche 1 deu Halbleiterkörper und dem Tragerteil ragenden bis 3, gekennzeichnet durch ein Weichlot mit »₅ Erhöhungen auf einer ebenen Lotfläche versehen ist. einem Schmelzpunkt von mehr als 250° C. Eine solche Lotverbindung ist aveh aus der deut-4. Solder connection according to one of claims 1 deu semiconductor body and the support part protruding to 3, characterized by a soft solder with » ₅ bumps is provided on a flat solder surface. a melting point of more than 250 ° C. Such a solder connection is aveh from the German

5. Lotverbindung nach Anspruch 4, gekenn- sehen Patentschrift 1489 075 bekannt, welche wie die zeichnet durch ein Zinn-Gold-Weichlot. eingangs genannte deutsche Auslegeschrift 1116 8275. Solder connection according to claim 4, see patent 1489 075 known, which like the marked by a tin-gold soft solder. German Auslegeschrift 1116 827 mentioned at the beginning

6. Lotverbindung nach Anspruch 4, gekenn- ein Verfahren zur Herstellung großflächiger Gleichzeichnet durch ein Blei-Silber-Indium-Weichlot. 30 richter aus diffundierten Siliciurnscheiben mit einer6. Solder connection according to claim 4, marked a method for producing large-area equal drawing by a lead-silver-indium soft solder. 30 judges made of diffused silicon wafers with a

Gehäusegrundplatte aus gut leitendem Material und einer Gegenelektrode betrifft, die an den mit der Siliciumscheibe zu verlötenden Flächen mit einem eingeprägten Raster aus sich kreuzenden Rillen ver-Aus der deutschen Patentschrift 1116 827 ist eine 35 sehen sind.Housing base plate made of highly conductive material and a counter-electrode relates to the with the Silicon wafer surfaces to be soldered with an embossed grid of intersecting grooves ver- From the German patent specification 1116 827 a 35 can be seen.