DE2514922A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
SEMI * RON Gesellschaft für Gleichrichterbau und Elektronik m.b.H.
8500 Nürnberg, Wiesentalstraße 40 OtZI/QOO
Telefon 0911 / 37781 - Telex 06-22155 /C O I 4 3 Z £
4. April 1975 PA - Bu/wl I 117501
HALBLEITERBAUELEMENT
Die Erfindung betrifft ein gegen thermische Wechselbeanspruchungen
beständiges Halbleiterbauelement, bei dem eine wenigstens einen pn-Übergang aufweisende und mit lötfähigen Kontaktüberzügen versehene
Scheibe aus Halbleitermaterial mittels eines Weichlotes unmittelbar flächenhaft mit Stromleitungsanschlüssen fest verbunden ist.
Es sind Halbleiterbauelemente wie Gleichrichterelemente oder Transistoren bekannt, bei denen die in einem Diffusionsverfahren vorbehandelte
Halbleitertablette beidseitig mit Nickelüberzügen und mit wenigstens einer weiteren, das Weichlöten begünstigenden Metallschicht versehen
und über diese Kontaktüberzüge durch Weichlöten mit vorzugsweise aus
Kupfer bestehenden Gehäuseteilen und/oder Anschlußleiterteilen kontaktiert und in einem Gehäuse angeordnet ist. Als Weichlote sind beispielsweise
solche auf der Basis von Zinn oder Blei mit Zusätzen von Silber, Indium, Wismut oder Antimon vorgesehen, z.B. aus etwa 96% Zinn, etwa A%
Silber und geringen Anteilen an Wismut oder Antimon oder aus 92,5/ζ Blei,
Rest Zinn und Silber oder aus 99/£ Blei und \% Zinn. Halbleiterbauelemente
für mittlere und hohe Strombelastbarkeit mit Kontaktschichten aus solchen Loten genügen jedoch, wie Untersuchungen gezeigt haben, im technischen
Einsatz einer Belastung mit häufigem Betriebstemperaturwechsel nicht, da durch diese extreme Beanspruchung nach einiger Zeit eine Ermüdung
der Weichlotkontaktschichten eintritt, die zur Ablösung der Anschlußleiterteile und zum Ausfall des Bauelementes führt.
- 2 609842/0485
Die Schwierigkeiten, die bei einem derartigen Einsatz der genannten,
mit solchen Weichlotkontakten versehenen Bauelemente auftreten, entstehen dadurch, daß die Weichlote in den Werten wesentlicher physikalischer
Eigenschaften, insbesondere der Wärmedehnzahl, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der Streckgrenze und der Zugfestigkeit,
erheblich von den entsprechenden Werten der Materialien der angrenzenden Bauteile abweichen.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten sind verschiedene Lösungsvorschläge
bekannt geworden. Es sind Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen
bekannt, bei welchen auf den zur Verbindung mit der Halbleitertablette vorgesehenen Kontaktflächen der metallischen Kontaktbauteile wenigstens
eine Scheibe aus hochschmelzendem Metall, vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän, hart aufgelötet und die Halbleitertablette mittels Weichlot
zwischen diesen Metallscheiben befestigt ist, so daß die Weichlotschichten zwischen Materialien angenähert gleicher Wärmedehnzahl liegen.
Bei anderen bekannten Ausführungsformen bestehen solche Metallscheiben
aus Schichten unterschiedlichen Materials und zwar zur Halbleitertablette hin aus Wolfram oder Molybdän und zum Anschlußleiter hin aus Kupfer
oder Silber, so daß jeweils die Wärmedehnzahlen aneinandergrenzender Materialien angenähert Übereinstimmen. Diese Metallscheiben sind mittels
Weichlot sowohl mit der Halbleitertablette als auch mit den Anschlußleiterteilen
fest verbunden.
Derartige bekannte Anordnungen zeigen zwar eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit
als Aufbauten ohne die genannten Metallscheiben. Sie weisen andererseits jedoch die wesentlichen Nachteile sowohl eines höheren elektrischen und thermischen Widerstandes auf Grund der im Vergleich
zu den Weichlotschichten beträchtlichen Dicke der Metallscheiben als auch eines erheblichen Aufwandes an Material und Verfahrensschritten auf.
Außerdem sind die in diesem Zusammenhang bekannt gewordenen, aus mehre-
609842/048 5
ren Metallen bestehenden Sinterscheiben in ihrer Herstellung teuer
und müssen zur weiteren Verarbeitung geeignet vorbehandelt werden.
Weiterhin sind Halbleiterbauelemente mit Hartlotkontakten zwischen Halbleitertablette,
Metallscheibe und/oder Anschlußleiter bekannt. Bei einen derartigen Aufbau ist zwar die gewünschte Temperaturwechselbeständigkeit gegeben, jedoch werden häufig bei den erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen des Hartlötprozesses durch unerwünschte Reaktion der vorgesehenen
Metalle mit dem Halbleitermaterial dessen Eigenschaften erheblich verschlechtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Weichlote zu ermitteln, die
zur unmittelbaren Verbindung von Halbleitertabletten mit Stromleitungsanschllissen
bei fUr einen Einsatz unter Temperaturwechselbelastung vorgesehenen Halbleiterbauelementen geeignet sind.
Untersuchungen haben ergeben, daß zur Lösung dieser Aufgabe Überraschend
und vorteilhaft als Weichlote an sich bekannte Legierungen aus Zink und Cadmium, jedoch mit einem jeweiligen Zusatz von Kupfer und/oder Silber
und ferner an sich bekannte Legierungen aus Blei, Silber und Zinn, jedoch mit einem Zusatz von Kupfer und Nickel verwendbar sind, und daß weiterhin
Überraschend auch an sich bekannte Weichlote aus Zinn, Nickel und Antimon, aus Zinn, Antimon, Kupfer und Cadmium, aus Zinn, Silber und Cadmium
und aus Blei, Cadmium und Antimon, jedoch mit teilweise wesentlich erweitertem Bereich des Anteils der in geringer Menge in den bekannten
Loten enthaltenen Legierungskomponenten als geeignet erscheinen.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei Halbleiterbauelementen der eingangs
erwähnten Art darin, daß Zinnlote mit 3 bis 8* Antimon, 0,1 bis 2% Nikkei,
Rest Zinn, oder mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 3* Kupfer, 0,1 bis
2% Cadmium, Rest Zinn, oder mit 1 bis 6% Silber, 0,1 bis 2jC Cadmium,
609842/0485
25U922
Rest Zinn, Cadmiumlote mit 10 bis 25jC Zink, 1 bis 5% Silber, Rest Cadmium,
oder «it 10 bis 25% Zink, 5% Silber, 3% Kupfer, Rest Cadmium,
Zinklote mit 10 bis 25# Cadmium, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Zink, und Bleilote
mit 10 bis 20% Cadmium, 0,3 bis 5% Antimon, Rest Blei, oder «it I
bis 5% Silber, 0,5 bis 2% Zinn, 0,1 bis 2j5 Nickel, 0,1 bis 3* Kupfer,
Rest Blei vorgesehen sind.
Es sind Halbleiteranordnungen mit hoher Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchungen
bekannt, bei denen Halbleiterscheiben mittels Weichlot unmittelbar mit LeitungsanschlUssen flächenhaft leitend verbunden
sind. Dabei werden Weichlote auf Blei- oder Zinnbasis verwendet mit jeweils geringem Anteil an Silber, Kupfer oder Antimon. Die Temperaturwechselbeständigkeit
soll jedoch dadurch erzielt werden, daß den Weichlot bis zu 50% eines hochschmelzenden Metalls in Pulverform beigemengt
sind, welches sich bei der erforderlichen Löttemperatur für das Weichlot in diesem nur unvollständig oder Überhaupt nicht löst· Dem Weichlot
selbst kommt somit die besondere Eigenschaft der Temperaturwechselbestön—
digkeit nicht zu, und die durch den Zusatz von Metallpulver gegebene beträchtliche
Oberflächenvergrößerung des Lötmaterials bringt eine nachteilige Erhöhung der thermischen Übergangswiderstände der Weichlotschicht
mit sich.
Weiter sind eutektische Gold-/Zinnlote bekannt, die als niedrig schmelzende
Lote zwar die gewünschte Temperaturwechselfestigkeit aufweisen, aber auf Grund des hohen Goldgehaltes einen unerwünschten Kostenfaktor
beim Aufbau von Halbleiterbauelementen darstellen.
Die erfindungsgemäßen Lote zeigen gute Benetzung und Ausbreitung auf
den zur gegenseitigen Verbindung durch Weichlöten vorgesehenen und bedarfsweise entsprechend vorbehandelten Flächen der in Betracht kommenden Bauteile. Untersuchungen haben ergeben, daß ein aus der Weichlöttechnik
bekannter, unerwünschter Einfluß der Legierungskomponenten Zink
609842/0485 "5 "
25U922
und Cadmium auf das Fließvermögen und die Haftfestigkeit bei der Herstellung
von Halbleiterbauelementen mit Loten gemäß der Erfindung nicht
feststellbar ist und sich somit nicht nachteilig auf den Aufbau und das Betriebsverhalten auswirkt.
Eine Erklärung für die vorteilhaften Werte der Kriechfestigkeit, der
Elastizitätskonstanten und der Zugfestigkeit wird in der Verspannung des
Kristallgitters durch Einbau von Atomen unterschiedlicher Größe gesehen,
wie er bei einem Legierungszusatz von bestimmten Metallen insbesondere zu den Basismetallen Blei und Zinn erfolgto
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Weichlote, d.h. ihre Anwendung zur Verbindung
von Bauteilen, wird durch die Eigenschaften der letzteren bestimmt· So werden beispielsweise Lote mit höherer elektrischer Leitfähigkeit,d.h.
bevorzugt Weichlote mit Zink und Cadmium als Legierungskomponenten,an
Stellen höherer Stromdichte verwendet.
Die Lote können in Form von Folien und/oder Lötronden vorliegen. Ihre
Dicke ist dadurch bestimmt, daß die damit erzielten Kontaktschichten eine Dicke von wenigstens 20 am» aufweisen sollen.
Der Kontaktierungsprozess kann z.B. in der Weise erfolgen, daß die jeweiligen
Bauteile unter jeweiliger Zwischenlage einer Lötronde gestapelt und
anschließend in einem Durchlaufofen gegenseitig verlötet werden·
Die Vorteile der Weichlote gemäß der Erfindung bestehen darin, daß aneinandergrenzende
Bauteile aus Materialien mit unterschiedlicher Wärmedehnzahl bei Halbleiterbauelementen fUr mittlere und höhere Strombelastbarkeit
in der bei der Verwendung von Weichloten bekannten, verfahrenstechnisch einfachen Weise verbunden werden können, so daß in vielen Fällen aufwendige
Hartlotverbindungen entfallen, und daß weiterhin Kontaktscheiben aus hochschmelzendem Material eingespart werden, wodurch besonders wirtschaftliche
Bauformen von Halbleiterbauelementen für extreme Belastbarkeit gegeben
sind.
609842/0485
Claims (1)
- • 25U922PATENTANSPRUCHGegen thermische Wechselbeanspruchungen beständiges Halbleiterbauelement, bei dem eine wenigstens einen pn-Ubergang aufweisende und mit lotfähigen Kontaktüberzügen versehene Scheibe aus Halbleitermaterial mittels eines Weichlotes unmittelbar flächenhaft mit StromleitungsanschlUssen fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,daß als Weichlote Zinnlote mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 7$L Nickel, Rest Zinn, oder mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, oder mit 1 bis 6% Silber, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, Cadmiumlote mit 10 bis 25% Zink, 1 bis 5% Silber, Rest Cadmium, oder mit 10 bis 25% Zink, 5% Silber, 3% Kupfer, Rest Cadmium, Zinklote mit 10 bis 25j£ Cadmium, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Zink, und Bleilote mit 10 bis 20% Cadmium, 0,3 bis 5% Antimon, Rest Blei , oder mit 1 bis 5% Silber, 0,5 bis 2% Zinn, 0,1 bis 2% Nickel, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Blei vorgesehen sind.609842/0485
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