DE2824250C2 - Trägerelektrode eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Trägerelektrode eines Halbleiterbauelements

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trägerelektrode der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 24 49 949 bekannten Art
Bei einem Halbleiterbauelement mit einem Substrat, das aus Silizium, Germanium, intermetallischen Verbindungen oder dgl. besteht, ist es sehr schwierig, auf wirksame Weise die Wärme abzuführen, die in dem Bauelement während des Betriebs erzeugt wird. Bei einer unzureichenden Wärmeabfuhr würde sich das Substrat des Halbleiterbauelements über eine zulässige Temperatur hinaus erhitzen, und dies würde zu einer unerwünschten Vergrößerung des Leckstroms sowie zu einer Senkung des Schaltspannungspegels führen; außerdem würde das Halbleiterbauelement unbefriedigend arbeiten. Um das genannte Problem zu lösen, könnte man das Halbleitersubstrat auf einer Unterlage aus einem Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit anordnen, die z. B. aus Kupfer besteht. Da jedoch zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats und demjenigen von Kupfer ein erheblicher Unterschied besteht, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium etwa 3,5 ■ 10-6/°C und derjenige von Kupfer etwa 16 · 10-6/°C beträgt, entstehen an den Berührungsflächen des Halbleitersubstrats und der metallischen Unterlage, die durch ein Lötmittel bekannter Art miteinander verbunden sind, mechanische Spannungen, die möglicherweise zu einer Zerstörung des Halbleitersubstrats führen, das von Natur aus geringe mechanische Festigkeit besitzt. Im Hinblick hierauf ist es üblich.
eine Trägerelektrode zu verwenden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen gleich demjenigen des Halbleitersubstrats an derjenigen Fläche des letzteren ist welche in Berührung mit der Unterlage aus Kupfer gebracht wird. In den meisten Fällen wird die Trügerelektrode aus Molybdän und Wolfram hergestellt Da diese Elemente thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die sich nur geringfügig von denjenigen von Silizium und Germanium unterscheiden, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient von Molybdän etwa 5,5 · 10-6/°C und derjenige von Wolfram etwa 4,4 ■ 10-6/°C beträgt, und da diese Elemente außerdem relativ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeitswerte aufweisen, ist es mit Hilfe einer Trägerelektrode aus Molybdän oder Wolfram möglich, in den meisten Anwendungsfällen eine ausreichende Abführung der in dem Halbleitersubstrat erzeugten Wärme zu erzielen und hierdurch eine Zerstörung des Halbleitersubstrats zu verhindern.
Natürlich stellen Molybdän und Wolfram nicht in jedem Fall die optimalen Materialien für die Trägerelektroden dar. Vielmehr ist es erwünscht besser geeignete Materialien für die Trägerelektrode zur Verfügung zu haben, damit die praktischen Erfordernisse berücksichtigt werden können, insbesondere im Hinblick darauf, daß zur Verwendung als Halbleitermaterialien bereits intermetallische Verbindungen entwickelt worden sind, und daß bereits erhebliche Fortschritte bezüglich ihrer Verarbeitung erzielt wurden.
Angesichts des gegenwärtigen Standes der Technik auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente sind zwei Probleme zu nennen, die bis jetzt nicht gelöst worden sind. Das erste Problem bezieht sich auf die Trägerelektrode. Um bei einem Halbleiterbauelement eine hohe Leistung zu erzielen, ist es erforderlich, für eine wirksame Abführung der in dem Halbleitersubstrat erzeugten Wärme zu sorgen. Eine Schwierigkeit die sich bei der Trägerelektrode ergibt, ist darauf zurückzuführen, daß das Halbleiterbauelement während seiner Herstellung einer hohen Temperatur ausgesetzt werden muß, um einen Lötvorgang oder dgl. durchzuführen. Außerdem wird das Halbleiterbauelement einem thermischen Zyklus ausgesetzt bei dem in einem gewissen Ausmaß Wärme eine Rolle spielt die in dem Bauelement während des Betriebs erzeugt wird. Bei einer solchen thermischen Wechselbeanspruchung besteht die Gefahr, daß das Halbleiter- oder Siliziumsubstrat eine Durchbiegung erfährt, da sich das Material des Substrats, z. E. Silizium, und das Material der Trägerelektrode, z. B. Molybdän oder Wolfram, bezüglich ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, wobei dieser Unterschied allerdings klein sein kann. Diese Gefahr erhält jedoch eine größere Bedeutung, wenn man Halbleiterbauelemente von höherer Leistung herstellt bei denen es erforderlich ist ein Substrat aus Silizium o. dgl. mit einem größeren Durchmesser zu verwenden
Das zweite Problem ergibt sich aus der Verwendung einer Unterlage für die Trägerelektrode aus Kupfer. Bekanntlich beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer etwa 16 · 10-6/°C, und er unterscheidet sich erheblich von demjenigen von dem Molybdän oder Wolfram, aus dem die Trägerelektrode besteht. Dieser Unterschied führt zu einer Verstärkung der Durchbiegung des Halbleitersubstrats infolge des Unterschiedes zwischen diesem und der Trägerelektrode bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizien-
ten bei der beschriebenen thermischen Wechselbeanspruchung. Dieser Neigung des Halbleiter- oder Siliziumsubstrats, sich durchzubiegen, kann man dadurch entgegenwirken, daß man die Dicke der Trägerelektrode vergrößert, wodurch jedoch die Wärmeabfuhr beeinträchtigt wird, und was im Gegensatz zu der angestrebten Miniaturisierung und der Verringerung des Gewichtes des Halbleiterbauelements steht Da ferner die Weichheit der Unterlage aus Kupfer zunimmt und sich ihre mechanische Festigkeit verschlechte«, wenn sie beim Löten, Verschweißen o. dgL einer thermischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt wird, kann eine Durchbiegung und schließlich sogar eine Zerstörung der Unterlage aus Kupfer als Folge der thermischen Beanspruchung eintreten, die auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerelektrode und der Unterlage aus Kupfer zurückzuführen ist.
Teilweise gelöst sind die beschriebenen Probleme bereits durch die aus der DE-OS 24 49 949 bekannte Trägerelektrode. Bei dieser sind die in das Grundmetall eingebetteten Fasern in einer Vorzugsrichiung parallel zueinander angeordnet oder willkürlich im Grundmetall verteilt
Werden die Fasern im Grundmetall parallel zueinander in einer Richtung angeordnet, so kann der Wärmedehnungskoeffizient in dieser Richtung entsprechend den Fasereigenschaften verhältnismäßig gering sein. Da jedoch die Fasern die Wärmedehnung quer zu ihrer Längserstreckung nicht verhindern, ist der Wärmedehnungskoeffizient in dieser Richtung der gleiche wie der des Grundmetalls. Wird daher an einem derart ausgebildeten zusammengesetzten Körper ein empfindliches Halbleitersubstrat befestigt, so bricht dieses wegen der großen Unterschiede zwischen den Zugfestigkeiten in den beiden Richtungen. Um Änderungen des Wärmedehnungskoeffizienten abhängig von der Richtung auszuschließen, sind bei der bekannten Trägerelektrode Netze aus Wolframfasern in leicht zueinander versetzter Beziehung geschichtet.
Würde man, wie aus der DE-OS 15 64 945 an sich bekannt, in das Grundmetall einen Gitterrahmen einbetten, so müßte dieser möglichst nahe an der Verbindungsfläche zwischen Trägerelektrode und Halbleitersubstrat, das heißt, möglichst nahe an einer äußeren Oberfläche des zusammengesetzten Körpers angeordnet werden, was sich herstellungstechnisch schwer bewerkstelligen läßt. Außerdem kann auf diese Weise der Wärmedehnungskoeffizient nur in zwei Richtungen gering gehalten werden, während er in den anderen Richtungen größer bleibt. Abgesehen davon ist bei der bekannten Anordnung der Wärmedehnungskoeffizient der Fasern nicht kleiner oder gleich, sondern größer als der des Halbleitersubstrats.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trägerelektrode, die im zusammengesetzten Körper einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, der möglichst in sämtlichen Richtungen parallel zur Verbindungsfläche zwischen Trägerelektrode und Halbleitersubstrat gleich dem des Halbleitersubslrats ist, zu ω> schaffen, bei der der Faseranteil möglichst gering ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Trägerelektrode erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst. M
Da erfindungsgemäß die Fasern in Form mehrerer konzentrischer Kreise oder spiralförmig ausgebildet sind, und das Metall des zusammengesetzten Körpers durch das zusätzliche metallische Element fest mit den Fasern verbunden ist, ist der Wärmedehnungskoeffizient in sämtlichen Richtungen parallel zur Verbindungsfläche zwischen Trägerelektrode und Halbleitersubstrat homogen, so daß praktisch keine Wärmespannungen auftreten können.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Trägerelektrode sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
Die Fasern können im zusammengesetzten Körper einzeln verlegt zu einem Bündel vereinigt oder miteinander verdrillt sein.
Der zusammengesetzte Körper kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden:
Bei einem ersten Verfahren wird ein Grundmetall durch Aufplattieren auf die Fasern aufgebracht die dann ihre ringförmige Gestalt erhalten und danach durch einen Heißpreßvorgang miteinander verbunden werden. Bei einem zweiten Verfahren wird ein metallisches Pulver einer Aufschlämmung beigemischt, in welche die ringförmigen Fasern eingetaucht werden. Schließlich werden die jetzt mit der Aufschlämmung überzogenen ringförmigen Fasern gepreßt.
Das zweite Verfahren ist für ein Grundmetall aus reinem Kupfer oder einer Legierung geeignet, wobei die Aufschlämmung die entsprechenden Elemente enthält. Natürlich kann man das erste Verfahren mit dem zweiten Verfahren so kombinieren, daß die mit einem Metall überzogenen Fasern in die Aufschlämmung eingetaucht werden. Hierbei ist es vorteilhaft kurze Fasern beizumischen, um die Wärmedehnung zwischen benachbarten Fasern zu verringern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die Draufsicht einer Ausführungsform eines zusammengesetzten Körpers einer Trägerelektrode für ein Halbleiterbauelement,
Fig.2 einen Axialschnitt eines Halbleiterbauelements und
Fig.3 graphische Darstellungen zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. der elektrischen Leitfähigkeit und der Menge der Kohlenstoffasern, die in dem zusammengesetzten Körper enthalten sind.
Beispiel 1
Pulverisiertes Kupfer mit einer Teilchengröße von 2 Mikrometer und pulverisiertes Zirkon mit einer Teilchengröße von 4 Mikrometer wurden gemischt und einer wäßrigen Lösung von 3 Gew.-% Methylcellulose zugesetzt die dann gerührt wurde, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Ferner wurde eine Kohlenstoffaser mit einem Durchmesser von 9 Mikrometer dadurch hergestellt, daß sie auf einen sich konisch verjüngenden Dorn von rundem Querschnitt spiralförmig aufgewikkelt und in die Aufschlämmung eingetaucht wurde. Hierauf wurde ein Heißpreßvorgang in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 800° C unter Aufbringen eines Drucks von 300 kg/mm2 durchgeführt, um den Dorn von der Kohlenstoffaser zu trennen, so daß eine zusammengesetzte Konstruktion mit einer spiralförmigen Kohlenstoffaser zur Verfügung stand, die 47 Vol.-% Kohlenstoff und 10Voi.-% Zirkon enthielt.
Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des zusammengesetzten Körpers betrug 2,6 · 10-b/°C.
wobei dieser Wert innerhalb eines Temperaturbereichs von Raumtemperatur bis 3000C gemessen wurde.
Beispiel 2
Es wurde ein zusammengesetzter Körper genau in der gleichen Weise hergestellt wie bei dem Beispiel 1, wobei jedoch der Kohlenstoffgehalt 40 Vol.-% und der Zirkongehalt 10 Vol.-% betrug.
Um den so hergestellten zusammengesetzten Körper zu einem Bestandteil eines Halbleiterbauelements zu machen, wurde die Fläche, welche die spiralförmige Faser enthielt, mit einem Halbleitersubstrat verbunden, um einen Thyristor herzustellen. Fig.2 zeigt den fertigen Thyristor in einem Axialschnitt. Das Halbleitersubstrat 3 besteht aus Silizium und ist auf beiden Flachseiten mit Trägerelektroden 4 und 5 in Gestak von zusammengesetzten Körpern der vorstehend beschriebenen Art versehen. Bei der Trägerelektrode 4 ist eine Fläche mit dem Halbleitersubstrat 3 unter Verwendung von Aluminium verlötet, während die andere Fläche unter Verwendung von Silber mit einer Unterlage 6 aus Kupfer verlötet ist. Die Lötmaterialschichten sind in F i g. 2 mit 7 und 8 bezeichnet. Bei der anderen Trägerelektrode 5 ist eine Fläche lediglich in Berührung mit dem Halbleitersubstrat 3 angeordnet, während ihre zweite Fläche durch eine Lotschicht 10 aus Silber mit einem Element 9 aus Kupfer verbunden ist. Die Kupferelementc 6 und 9 sind an ihren Rändern mit zugehörigen Bauteilen 11 und 12 aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung verschweißt, die ihrerseits mit einem Glaskörper 13 verbunden sind. Die Bauteile 11 und 12 und das Glaselement 13 dienen dazu, die Umgebungsluft von dem Halbleitersubstrat 3 fernzuhalten. Der von den Bauteilen 11,12 und 13 umschlossene Raum 14 ist nach außen abgedichtet und mit Stickstoff gefüllt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Thyristor ist zwischen dem Halbleitersubstrat und der Trägerelektrode im wesentlichen kein Unterschied bezüglich der Wärmedehnung vorhanden, so daß weder eine Durchbiegung noch eine Zerstörung des Halbleitersubstrats eintritt, obwohl das Substrat während der Herstellung des Thyristors Temperaturen von erheblicher Höhe ausgesetzt wird.
Vergleichsbeispiel
Es wurden etwa 3000 Fasern aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von 9 Mikrometer, die mit Kupfer in einer Stärke von 1 Mikrometer plattiert waren, zu einem Bündel vereinigt und in eine Aufschlämmung eingetaucht, bei der es sich um eine wäßrige Lösung von Methylcellulose handelte, die pulverisiertes Kupfer mit einer Teilchengröße von etwa 2 Mikrometer enthielt. Dann wurden die gebündelten Fasern aus Kohlenstoff spiralförmig aufgewickelt und durch Trocknen bei Raumtemperatur zum Erstarren gebracht. Auf diese Weise wurden zusammengesetzte Körper mit einem Durchmesser von etwa 29 mm hergestellt, die Fasern aus Kohlenstoff jeweils in einer Menge von 10,20,30,40 bzw. 50 Vol.-% enthielten. Diese Erzeugnisse wurden jeweils in einer Graphitform mit einem Durchmesser von 30 mm angeordnet und in einer Stickstoffatmosphäre einer Heißpressung bei einer Temperatur von 9000C unterzogen, wobei sie eine Stunde lang einem Druck von 250 bis 300 kg/mm2 ausgesetzt wurden, so daß jeweils ein aus zusammengesetzten Körpern aufgebauter Block mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von etwa 20 mm entstand.
Aus einem solchen Block, der etwa dieselben mechanischen und elektrischen Eigenschaften wie die erfindungsgemäße Trägerelektrode aufweist, wurde ein Probestück von 25 mm Durchmesser und 4,6 mm Dicke herausgeschnitten, um als Trägerelektrode verwendet zu werden; bei diesem Probestück wurden der thermische Ausdehnungskoeffizient und die elektrische Leitfähigkeit in radialer Richtung gemessen. F i g. 3 zeigt jeweils in einer graphischen Darstellung für verschiedenen Gehalt an Kohlenstoffasem den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die elektrisehe Leitfähigkeit in radialer Richtung als Mittelwerte, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 25O0C gemessen wurden. Hierbei zeigte sich bezüglich des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten keine Anisotropie. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß man den Gehalt an Kohlenstoffasem vergrößern muß, wenn eine Verringerung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht werden soll. Bei einem im Bereich von 30 bis 40 Vol.-% liegenden Gehalt an Kohlenstoffasem läßt sich ein linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient erzielen, der gleich demjenigen von Silizium ist Soll dagegen die elektrische Leitfähigkeit auf einem hohen Wert gehalten werden, muß man die Menge der Kohlenstoffasem verringern. Somit ist es erforderlich, den Bereich des Gehalts an Kohlenstoffasern so festzulegen, daß die Forderungen bezüglich einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und eines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfüllt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Trägerelektrcde (5) eines Halbleiterbauelements, die mit einer Räche eines Halbleitersubstrats (3) des Halbleiterbauelements verbunden und zumindest im Bereich der Verbindungsfläche als zusammengesetzter Körper in Form einer Matrix aus in einem Grundmetall (1) in einer Ebene parallel zur Verbindungsfläche liegend eingebetteten Fasern (2) ausgebildet ist, wobei das Grundmetall eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist und die Fasern aus einem Material bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner als der des Halbleitersubstrats ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (2) in Form mehrerer konzentrischer Kreise oder spiralförmig angeordnet sind, und daß der zusammengesetzte Körper als weiteren Bestandteil m einer festen Phase mindestens ein metallisches Element enthält, das eine chemische Verbindung mit dem Material der Faser bildet.
2. Trägerelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall (1) Kupfer und die Faser (2) eine Kohlenstoffaser ist
3. Trägerelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element ein Karbid bildet
4. Trägerelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Element Zirkon ist.
5. Trägerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fasern im zusammengesetzten Körper 20 bis 40 Vol.-% beträgt
J5
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