DE2853951A1

DE2853951A1 - Kontaktplatte fuer halbleiter-bauelemente

Info

Publication number: DE2853951A1
Application number: DE19782853951
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Schlamp
Original assignee: DEMETRON; Demetron Gesellschaft fuer Elektronik Werkstoffe mbH
Current assignee: DEMETRON; Demetron Gesellschaft fuer Elektronik Werkstoffe mbH
Priority date: 1978-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1980-07-03

Description

Kontaktplatte für Halbleiter-Bauelemente.
Die Erfindung betrifft Kontaktplatten für Halbleiter-Bauelemente, insbesondere für Siliziumhalbleiter.
Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen verwendet man Kontaktplatten als Übertragungsmedium für Wärme und Strom, und zur mechanischen Stützung des Halbleiterkristalls. Hierzu werden normalerweise flache Kontaktplatten aus Metallen ein- oder beidseitig mit dem Halbleiterkristall entweder durch Lötverbindungen oder durch Druckkontakte in Verbindung gebracht.
Für solche Kontaktplatten werden Materialien benötigt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen möglichst geringen, dem Gegenwerkstoff gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Letzteres ist ins- besondere auch dann von Wichtigkeit, wenn die Kontaktplatte als Wärmeüberträger zur Ableitung der Stromwärme aus dem Kristall an das Gehäuse dient.
Für Silizium-Halbleiter-Gleichrichter verwendet man hierzu üblicherweise Molybdän- oder Wolframkontaktscheiben, die gegebenenfalls eine zusätzliche Oberflächenbehandlung zwecks Weiterverarbeitung durch Löten oder Druckkontaktveri#ahren erhalten. Solche hontalitscheiben aus Molybdän und Wolfram sind relativ teuer und haben im Vergleich zu Metallen wie Kupfer und/oder Silber eine nur geringe Wärme leitfähigkeit. Sind daher besonders hohe Wärmemengen abzuführen, so wird mit solchen Molybdän-oder Wolfram-Kontaktplatten nicht das Optimum an Energieübertragung erreicht.
Andererseits kann man mit Kontaktplatten aus den gut wärmeleitfähigen Materialien Kupfer oder Silber zwar genügend Energie abführen, jedoch ist die thermische Ausdehnung dieser Metalle wesentlich höher als diejenige des Halbleiterkristalls, so dass bei Erwärmung trotz guter Wärmeabfuhr erhebliche Spannungen an der Konkaktstelle zwischen Halbleiterkristall und der Kontaktplatte auftreten, die zum Bruch des Halbleiterkristalls führen Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kontaktscheiben für Halbleiter-Bauelemente zu finden, die die gute Wärmeleitfähigkeit von Kupfer oder Silber mit dem niedrigen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten von Wolfram oder Molybdän verbinden, so dass bei thermischer Belastung keine Halbleiterbrüche auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass sie aus einem porösen metallischen gut wärmeleitenden Werkstoff mit einem Porenanteil von 5 bis 40 Volumenprozent bestehen. Vorzugsweise leisen sie ein Porenvolumen von 10 bis 20 % auf und bestehen vorteilhafterweise aus kupfer oder Silber.
Ein solches Material weist gegenüber Molybdän und Wolfram eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf und vermindert durch seine besondere Struktur das Entstehen von mechanischen Spannungen bei Erhitzung in Kontakt mit Gegenflächen, die einen wesentlich geringeren ther#ischeii Ausdehnungskoef£iz-ienten haben als z.B. Kupfer oder Silber.
Als besonders zweckma#ssig hat es sich erwiesen, wenn bei grossflächigen Bauelementen, bei denen die Kontaktplatte in direkter Berührung mit dem Halbleiterkristall steht, der poröse metallische Werkstoff ein-oder beidseitig, insbesondere an der dem Silizium zugekehrten Seite, mit: einer oder mehreren kompakten porenfreie Schichten des gleichen oder anderer Metalle fest verbunden ist. Besonders bewährt haben sich hierfür die Metalle Wolfram, Molybdän, Kupfer, Silber, Aluminium, Titan, deren Legierungen oder Eisen-Nickel- bzw. Eisen-Nickel-obalt-Legierungen.
Auf diese Weise wird eine besonders günstige Anpassung des thernii sehen Ausdehnungskoeffizienten an der Grenzfläche zlfisc-hen der porösen Kontaktplatte und dem Halbleiterkristall gewährleistet.
Je nach Struktur des Halbleiter-Bauelementes und der Stelle, an der die Kontaktplatte in einem solchen Ilalbleiter-Batlelement angebracht ist, können verschieene Ivontaktplatten-Ausführungen zur Anwendung kommen.
So ist im Falle einer #ontaktpl'attenarn#eiiduing zwischen einer metallisierten Keramik und einer Kupferbodenplatte die erfindungsgemässe poröse Kontaktplatte ohne zusatzliche äussere kompakte Deckschichten eine ausreichende und kostengünstige Lösung.
Steht hingegen die poröse Kontaktplatte in unmittelbarer Berührung mit einem grossflächigen Halbleiterkristall, so ist es zweckmässig, wenn auf der porösen Kontaktplatte, zumindest an der dem Halbleiterkristall zugewandten Seite, eine dünne kompakte Schicht aus Molybdän oder Wolfram oder einer Eisen-Nickel- oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung aufgebracht wird, beispielsweise durch Löten.
Weitere vorteilhafte Kontaktplatten-Ausführungsformen können bei beidseitiger Verwendung zusätzlicher kompakter Deckschichten unterqohiedliche Materialien für die beiden Seiten benutzen, wobei ebenfalls die Wahl der für die kompakten Deckschichten auf der porösen Kontaktplatte aufgebrachten Metalle sich nach den Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Gegenflächen richtet.
Die Abbildung I zeigt sc'ematisch eine solche Ausführungsform im Querschnitt, wobei die poröse Metallschicht (1) aus Kupfer auf der dem Halbleiterkristall zugewandten Seite beispielsweise eine kompakte ~folybdänschicht (2) und auf der der Gehäuseunterseite zugewandten Seite eine kompakte Metallschicht (3) aus massivem Kupfer trägt.
Ist die erfindungsgemässe Kontaktplatte mehrschichtig unter Verwendung von kompakten Aussenschichten aufgebaut, so sind diese kompakten Aussenschichten in ihrer Stärke stets geringer als die innere poröse Metallschicht.
Abbildung II zeigt eine weitere Ausführungsform speziell für die Druckkontakttecknik und weist an den die Druckkontaktverbindung herstellenden Grenzflächen eine zusätzliche sehr dünne Metallschicht (4) eines hochleitfähigen Metalles wie Silber, Gold, Platin, Palladium oder Rhodium auf. Diese haben gleichzeitig den Vorteil, dass sie infolge fehlender oder sehr dünner Oxidschichten einen besonders guten Wärmeübergangskontakt an den durch Druck miteinander verbundenen Flächen aufweisen. Für weniger hoch beanspruchte Teile sind auch dünne Nickel-Blei-oder Zinn-Schichten zur Verbesserung und Intensivierung der Druckkontaktverbindung geeignet.
Die Herstellung der erfindungsgemässen porösen Kontaktplatten kann nach bekannten Verfahren, z.B.
durch Pressen und Sintern von Metallpulvern erfolgen.
Beispielsweise besteht eine erfindungsgemässe Kontaktplatte für Halbleiter-Bauelemente aus einer porösen Kupferschicht (1) von 1,5 mm Stärke und 15 Volumenprozent Porcnanteil und ist auf der einen Seite bedeckt mit einer 0,25 mm starken Molybdänschicht (2) und einer 0,5 /um starken Goldschicht (4) und auf der anderen Seite mit einer 0,25 mm starken kompakten Kupferschicht (3) und einer ebenfalls 0,5 µm starken Goldschicht (4).

Claims

Kontaktplatte für IIalbleiter-Bauel emente.

PATENTANSPRÜCHE Kontaktplatte für Halbleiter-Bauelemente dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem porösen metallischen gut wärmeleitenden Werkstoff mit einem Porenanteil von 5 bis 40 Volumenprozent besteht.
2. Kontaktplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil 10 bis 20 Volumenprozent beträgt.
3. Kontaktplatte nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzekchnet, dass als poröser Werkstoff die Metalle Kupfer oder Silber verwendet werden.
4. Iiontaktplatte nach den Anspriichen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse metallische Werkstoff (1) ein- oder beidseitig nit einer oder trebreren kompakten, porenfreien Schichten (2,3) desgleichen oder anderer Metalle fest verbunden ist.
5. Kontalçtplatte nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch#kennzeichnet, dass als kompakte Metall schichten (2,3) die Metalle Molybdän, Wolfram, Kupfer, Silber, Aluminium, Titan deren Legierungen oder Eisen-Nickel bzw.

Eisen-Nickel-Kobalt-Logierungen verwendet werden.
6. Kontaktplatte nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei beidseitiger Verbindung mit kompakten Schichten (2,3) diese aus unterschiedlichen Metallen bestehen.
7. Kontaktplatte nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kompakten Schichten (2 und/oder 3) zusätzlich eine äussere Schicht (4) aus einem der Metalle Gold, Silber, Blei, Platin, Rhodium, Palladium, Nickel oder Zinn aufweisen.
8. Kontaktplatte nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Schichten (2,3,4) aus kompakten Metallen insgesamt gegenüber der Kernschicht (1) aus porösem Metall eine geringere Dicke aufweisen.