DE2514922C2 - Gegen thermische Wechselbelastung beständiges Halbleiterbauelement - Google Patents

Gegen thermische Wechselbelastung beständiges Halbleiterbauelement

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Theodor 8521 Bubenreuth Tovar
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Semikron GmbH and Co KG
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Description

1. ein Zinnlot mit 3—8% Antimon, 0,1—2% Nickel. Rest, Zinn, oder
2. ein Zinnlot mit 3—8% Antimon, 0,1—3% Kupfer, 0,1 —2% Cadmium, Rest Zinn, oder
3. ein Zinnlot mit 1—6% Silber. 0,1—2% Cadmium, Rest Zinn, oder
4. ein Zinklot mit 10—25% Cadmium, 0,1—3% Kupfer, Rest Zink, oder
5. ein Bleilot mit 10—20% Cadmium, 03—5% Antimon, Rest Blei, oder
6. ein Bleilot mit 1—5% Silber, 0,5—2% Zinn, 0,1 -2% Nickel,0,1 —3% Kupfer, Rest Blei
25
30
Die Erfindung betrifft ein gegen thtermische Wechselbelastung beständiges Halbleiterbauelement mit einer wenigstens einen pn-Obergang aufweisenden Halbleiterscheibe, bei der mit Stromleitungsanschlüssen zu verbindende Rächen der Halbleiterscheibe mit lötfähigen Kontaktüberzügen versehen und direkt mittels eines Weichlotes flächenhaft mit den Stromleitungsanschlüssen verbunden sind.
Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise aus der US-PS 33 31 997 bekannL Die Verbindung der Halbleiterscheibe mit Stromanschlußteilen besteht aus Weichlotkontaktschichten auf der Basis von Blei mit 1 bis 2 Gewichtsteilen Silber und 03 bis 13 Gewichtsteilen Zinn, Rest Blei.
Die Halbleiterscheibe bekannter Halbleilerbauelemente kann beidseitig mit Nickelüberzügen und mit wenigstens einer weiteren, das Weichlöten begünstigen* den Metallschicht versehen sein, und die damit zu verbindenden Teile, nämlich Gehäuseteile und/oder Anschlußleiterteile, können aus Kupfer bestehen. Außer so den genannten Bleiloten sind Zinntote mit ca. 4 Gewichts-% Silber und geringen Anteilen an Wismut oder Antimon oder Indium, Rest Zinn, im Einsatz, vgl. die DE-OS 15 89 543 und die DE-PS 10 80838. Halbleiterbeualemente für mittlere und hohe Strombelastbarkeit mit Kontaktschichten aus solchen Loten genügen jedoch, wie Untersuchungen gezeigt haben, im technischen Einsatz einer Belastung mit häutigem 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.
Die Schwierigkeiten, die bei einem derartigen Einsatz der genannten, mit solchen Weichlotkontakten versehe- to nen Bauelemente auftreten, entstehen dadurch, daß die Weichloic in den Werten wesentlicher physikalischer Eigenschaften, insbesondere der Wänncdrehzahl. 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 Aiisführungsformen von Halbleiterbauelementen bekannt, bei weichen auf den zur Verbindung mit der Halbleitertablette vorgesehene 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. Das Weichlot beseht aus etwa 1% Antimon, 0,5% Nickel, einem Kobaltzusatz, Rest Zinn (DE-OS 1439 129).
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 Wärmedehnzanlen 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 Grand 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 mehreren 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 einem derartigen Aufbau ist zwar die gewünschte Temperaturwechselbständigkeit gegeben, jedoch werden häufig bei den erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen des Hartlötprozesses durch unerwünschte Reaktion der vorgesehenen Metalle mit dem Halb'sitermaterial dessen Eigenschaften erheblich verschlechtert.
In der DE-AS 11 96 793 ist ein Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente beschrieben, wonach der Halbleiterkörper über eine aufgebrachte Nickelschicht mittels eines Bleilotes mit Leitungsanschlüssen sperrfrei fest verbunden wird, wobei vor dem Lötprozeß auf dem Nickel eine Zinnschicht aufgebracht und eingebrannt wird. Als Bleilot wird eine eutektische Blei-Silber-Legierung bzw. eine eutektische Blei-Silber-Kupfer-Legierung verwendet.
Weiter beschreibt die FR-PS 11 56 237 Lote zum Weichlöten von Aluminium, womit insbesondere das Problem der Korrisionsbeständigkeit von Aluminium-Lötverbindungen gelöst werden sollte. Es sind Lote mit 3 bis 10% Cadmium, I bis 4% Kupfer, 5 bis 8% Antimon, Rest Zinn, vorgesehen.
Aus der DE-PS 8 06 820 sind Lote bekannt, mit denen das unerwünschte Kriechen, d. h. das stetige Fließen, wie es bei Blei-Legierungen unter ruhender Belastung
auftritt, vermieden wird, und die außerdem einwandfrei galvanisch mit Edelmetallüberzügen versehen werden können* Die offenbarten Lote haben ζ,Β. eine Zusammensetzung von 0,1 bis 10% Silber, 20 bis 40% Cadmium, Rest Zinn oder von 15 bis 40% Cadmium, 0,1 bis 20% Zink, 0,1 bis 10% Silber, Res; Zinn, wobei diese Lote noch bis zu 5% Antimon und/oder bis zu 3% Kupfer enthalten können.
Ferner ist aus der CH-PS 3 71 845 eine eutektische Blei-Cadmium-Legierung mit 85,5% Blei bekannt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Weichlote zu ermitteln, die zur unmittelbaren Verbindung von Halblettertabletten mit Stromleitungsanschlüssen bei für einen Einatz 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, jedoch mit einem Zusatz von Kupfer und ferner an sich bekannte Legierungen aus Blei, Silber und Zinn, jedoch mit einem Zusate 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, SMber 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 das Weichlot entweder
1. ein Zinnlot mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 2% Nickel,
Rest Zinn, oder
Z ein Zinnlot mit 3 bis 8% Antii.ion, 0,1 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, oder
3. ein Zinnlot mit 1 bis 6% Silber, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, oder
4. ein Zinklot mit 10 bis 25% Cadmium, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Zink, oder
5. ein Bleilot mit 10 bis 20% Cadmium, 0,3 bis 5% Antimon, Rest Blei oder
6. ein Bleilot mit I bis 5% Silber, 03 bis 2% Zinn, 0,1 bis 2% Nickel,0,1 bis 3% Kupfer, Rest Blei
Es sind Halbleiteranordnungen mit hoher Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchungen bekannt, bei denen Halbleiterscheiben mittels Weichlot unmittelbar mit Leitungsanschlüssen flächenhaft leitend verbunden sind. Dabei werden Weichlote auf Blei- oder Zinnbasis verwendet mit jeweils geringem Anteil an Silber, Kupfer oder Antimon, z. B. ein Lot mit 33% Silber, Rest Zinn (DE-OS 12 98 387). Die Temperaturwechselbeständigkeit soll jedoch dadurch erzielt werden, daß dem 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 Temperaturwechselbestandigkeit nicht zu, und die durch «Jen Zusatz von Metallpulver gegebene beträchtliche Oberflächenver- » größerung des Lötmaterials bringt eine nachteilige Erhöhung der thermischen Übergangswiderstände der Weichlötschicht mit sich-
Weiter sind eutektische Gold-/Zinnlote bekannt, die als niedrig schmelzende Lote zwar die gewünschte
i" Temperaturwechselfestigkcit 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 duich Weichlöten vorgesehenen und bedarfsweise entsprechend vorbehandelten Flächen der in Betracht kommenden Bauteile. Untersuchungen haben ergeben, daß ein aus der Weichlöttechnik bekannter, uner-
-° wünschter Einfluß der Legierungskomponenten Zink 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 Elastizitätskonstamen und der Zugfestigkeit wird in oer Verspannung des Kristallgitters durch Einbau von Atomen unterschiedlicher Größe
w gesehen, wie er bei einem Legierungszusatz von bestirnten Metallen insbesondere zu den Basismetallen Blei und Zinn erfolgt
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 'ΓοΙϊεη und/oder Lötronden vorliegen. Ihre Dicke ist dadurch bestimmt, daß die damit erzielten Kontaktschichten eine Dicke von wenigstens 20 μπι aufweisen sollen.
Der Kontaktierungsprozeß kann z. B. in der Weise
4^ 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 für mittlere und höhere Strombelartbarkeit 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.

Claims (1)

  1. Patentanspruch;
    Gegen thermische WechselbeJastijng beständiges Halbleiterbauelement mit einer wenigstens einen pn-Obergang aufweisenden Halbleiterscheibe, bei der mit Stromleitungsanschlüssen zu verbindende Rächen der Halbleiterscheibe mit lötfähigen Kontaktüberzügen versehen und direkt mittels eines Weichlotes flächenhaft mit den Stromleitungsanschlüssen verbunden sind, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Weichlot entweder
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