DE2910959C2 - Leistungs-Halbleiterbauelement mit einer Ausgleichsplatte - Google Patents

Leistungs-Halbleiterbauelement mit einer Ausgleichsplatte

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Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungs-Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solches Leistungs-Halbleiterbauelement ist aus der US-PS 3 128 419 bekannt. Bei diesem bekannten Bauelement erfolgt die Verbindung der Ausgleichsplatte mit der metallisierten Halbleiterscheibe einerseits und dem Kühlkörper andererseits jeweils durch Weichlöten. Dieses Weichlöten verschlechtert die Wärmeleitung zwischen Halbleiterscheibe und Kühlkörper und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit der Ausgleichsplatte.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die von der Halbleiterscheibe erzeugte Wärme effektiver abgeleitet und thermisch reduzierte Verformungen an der Grenzfläche zwischen Ausgleichsplatte und Halbleiterscheibe besser vermieden werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1.
Die Thermokompression ist zwar an sich auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt, aber nur im Zusammenhang mit dem Anfertigen einzelner Drähte über deren Mantelfläche (vgl. z. B. Harry E. Thomas "Handbook of Integrated Circuits" Prentice-Hall, Due. 1971, Seiten 180-184).
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausgleichsplatte mit 2 Metallscheiben,
Fig. 2 eine Seitenansicht in teilweise auseinandergezogener Form des Halbleiterbauelementes bestehend aus einer metallisierten Halbleiterscheibe und einer Ausgleichsplatte,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Bündels von Kupferstiften, das von einem Haltering umgeben ist, aber Ausgangspunkt zur Herstellung der Ausgleichsplatte,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Bündel nach Fig. 3,
Fig. 5 das Bündel nach Fig. 3 mit 2 Metallscheiben,
Fig. 6 das Bündel nach Fig. 3 mit 1 Metallscheibe und
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Presse zur Ausführung der Thermokompression.
Die Ausgleichsplatte dient den folgenden Zwecken:
  • (1) die Wärme von der Halbleiterscheibe zu einem Kühlkörper (im folgenden auch Wärmesenke genannt) abzuführen,
  • (2) thermische Spannungen oder Belastungen sowohl in der Halbleiterscheibe als auch in der Ausgleichsplatte selbst abzubauen. Im allgemeinen, wenn auch nicht notwendigerweise, dient die Ausgleichsplatte auch dazu,
  • (3) elektrischen Strom von der Halbleiterscheibe zu der Wärmesenke zu leiten, wobei die Wärmesenke auch als ein Rückleitungspunkt für den elektrischen Strom dient; dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Wärmesenke der elektrische Erdungspunkt für die Halbleiterscheibe ist oder wenn die Wärmesenke mit dem elektrischen Erdungspunkt elektrisch verbunden ist.
Die Kupferstifte 16 sind in Fig. 1 gezeigt, wie sie vereinigt werden sollen, d. h. elektrisch und mechanisch mit einer "oberen" Metallscheibe 12 verbunden werden sollen, die elektrisch und mechanisch mit der Wärmesenke verbindbar ist. Die Metallscheibe 12 hat eine Dicke im Bereich von 0,0125 mm bis 0,50 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,025 mm bis 0,075 mm. Die Dicke der Metallscheibe 12 kann auch größer als 0,50 mm sein, vorausgesetzt daß diese Dicke nicht so groß ist, daß sie den thermischen Widerstand der Ausgleichsplatte 10 wesentlich erhöht.
Kupfer, Gold und andere Metalle mit geeigneten Charakteristiken sind geeignete Materialien für die Metallscheibe 12. Die Ausgleichsplatte kann eine zweite Metallscheibe 14 umfassen, die in ähnlicher Weise mit den Kupferstiften 16 verbunden ist. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform kann die Metallscheibe 14 aus den gleichen Materialien hergestellt sein und die gleichen Dimensionen aufweisen, wie es für die Metallscheibe angegeben worden ist.
In Fig. 2 ist die Halbleiterscheibe 40 der Einfachheit halber als eine Diode dargestellt, die einen ersten Halbleiterbereich 42 (p- oder n-leitend) und einen zweiten Halbleiterbereich 44 (n- oder p-leitend) besitzt, wobei der Bereich 44 an der Ausgleichsplatte 10 befestigt ist. Es können jedoch anstelle von Dioden z. B. auch Transistoren und Thyristoren eingesetzt werden.
Eine Wolframplatte 50 ist an die Oberfläche des ersten Bereichs 42 anlegiert. Die Halbleiterscheibe 40, die beispielsweise aus Silizium besteht, ist zerbrechlich. Die Wolframplatte 50 liefert der Halbleiterscheibe 40 die notwendige mechanische Festigkeit.
Die Oberfläche des Bereichs 44 ist mit einer Metallisierung beschichtet, die aus einer unteren Metallschicht 14A und einer oberen Metallschicht 14B besteht. Die Metallschicht 14A kann aus Titan bestehen und ist direkt auf die Oberfläche des Halbleiterbereichs 44 niedergeschlagen. Die Metallschicht 14B kann aus Kupfer oder Gold bestehen.
In einem Beispiel I der Ausführungsform nach Fig. 2 hat die untere Metallschicht 14A eine Dicke von etwa 20 nm Titan, und die obere Metallschicht 14B besitzt eine Dicke von etwa 1000 nm aus Gold. In einem Beispiel II der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht die Metallisierung aus einer unteren Schicht 14A aus Titan und einer Zwischenschicht aus Silber und einer oberen Schicht 14B aus Gold.
Alternativ dazu wird die Ausgleichsplatte 10 aus Fig. 1 mit dem Bereich 44 der metallisierten Halbleiterscheibe 40 verbunden.
Die Herstellungsverfahren für die verschiedenen Ausführungsformen werden nun beschrieben. Es wird wieder auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Die Stifte 16 sind so zusammengelegt, wie es dort dargestellt ist. Die beste Spannungsentlastung wird erreicht, wenn die Kupferstifte mit ihrer natürlichen Oxidbeschichtung verwendet werden. Wenn gesäuberte Kupferstifte verwendet werden, neigen die Stifte dazu, aneinander zu haften oder zu kleben und die Spannungsentlastungsfähigkeit der hergestellten Ausgleichsplatte einzuschränken. Daher sollten die Stifte mit einer nicht klebenden Substanz, wie Kupferoxid, beschichtet sein.
Das Bündel 17 nach den Fig. 3 und 4, des aus gegeneinander beweglichen Kupferstiften gebildet ist, ist ein in sich zerbrechliches Gebilde. Daher wird das Bündel 17 zunächst mit einem Haltering 18 versehen, um die Kupferstifte während des Hantierens und der Verarbeitung zusammenzuhalten. Der Haltering wird zum Schluß entfernt.
Ausgehend von dem Bündel 17 nach den Fig. 3 und 4 führt die Herstellung über das Zwischenstadium 19 nach Fig. 5 schließlich zu der Ausführungsform der Ausgleichsplatte nach Fig. 1, oder über das Zwischenstadium nach Fig. 6 zur Ausführungsform der Ausgleichsplatte nach Fig. 2. Fig. 5 zeigt die beiden aufgebrachten Metallscheiben 12 und 14, wohingegen gemäß Fig. 6 nur eine Metallscheibe 12 aufgebracht ist.
Zur Herstellung der Ausführungsform der Fig. 6 wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, in der eine Presse 20 zur Durchführung der Thermokompression gezeigt ist, die wie folgt aufgebaut ist. Eine obere Metallplatte 22 ist parallel zu einer unteren Metallplatte 24 ausgerichtet, wobei ein Zwischenraum zwischen beiden Platten belassen worden ist. Ein Metallpreßblock 26 ist mittig unterhalb der oberen Platte 22 so angeordnet, daß er der unteren Platte 24 gegenüberliegt. Metallbolzen mit Gewinde 28 und 30 reichen durch entsprechende Löcher in der oberen Platte 22 und werden in die untere Platte 24 eingeschraubt, um die beiden Platten miteinander zu verbinden.
Um die Thermokompressionsbindung zwischen der Ausgleichsplatte 17 und der Metallscheibe 12 zu erhalten, ist es notwendig, die Metallscheibe 12 parallel zu und in Kontakt mit dem Bündel 16 anzuordnen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Diese Anordnung 19 wird dann zwischen den Metallpreßblock 26 und die untere Platte 24 der Presse 20 gelegt, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Eine herkömmliche Presse wird dazu verwendet, um die obere Platte 22 und die untere Platte 24 zusammenzudrücken, und während solch ein Druck auf diese Platten ausgeübt wird, werden die Schrauben 28 und 30 befestigt und angezogen.
Die Thermokompressionsverbindung zwischen dem Bündel 16 und der Metallscheibe 12 entsteht, wenn die Presse 20, die die Anordnung 19 enthält, in eine inerte Atmosphäre gebracht und etwa 15 Minuten bis 5 Stunden lang auf etwa 350°C erhitzt wird. Wenn die Presse 20 erhitzt ist, dehnen sich die obere Platte 22, die untere Platte 24 und der Metallpreßblock 26 stärker aus, als die Metallschrauben 28 und 30. Auf diese Weise wird eine Kraft zwischen dem Preßblock 26 und der unteren Platte 24 ausgeübt, der zum Zusammendrücken des Bündels 16 und der Metallscheibe 12 führt und so die Verbindung bewirkt. Die Anordnung 19 wird dann aus der Presse 20 entfernt. Der Haltering 18 und irgendwelche losen Kupferstifte außerhalb des Bereichs der Thermokompressionsverbindung werden von der Anordnung 19 entfernt. Der verbleibende so gebildete Aufbau bildet die Ausgleichsplatte 10.
Um die Ausgleichsplatte 10 nach Fig. 1 zu erhalten, wird die Anordnung 19, die in Fig. 5 dargestellt ist, hergestellt, indem Metallscheiben 12 und 14 auf die gegenüberliegenden Seiten des Bündels 17, wie in Fig. 3 dargestellt ist, gelegt werden.
Die Anordnung 19 nach Fig. 5 wird dann in die Presse 20 gelegt und in der oben beschriebenen Weise verarbeitet. Auf diese Weise wird die Ausgleichsplatte 10 mit Metallscheiben auf beiden Seiten, wie in Fig. 1 gezeigt ist, hergestellt.
Um das Halbleiterbauelement nach Fig. 2 zu bilden, wird die Ausgleichsplatte 10 mit einer Metallscheibe mit ihrer freien Oberfläche auf die Oberfläche des Bereichs 44 der Halbleiterscheibe aufgelegt. Eine Thermokompressionsverbindung wird zwischen der metallisierten Oberfläche des Bereichs 44 und der Ausgleichsplattre 10 gebildet, indem diese Anordnung 40 zwischen die Platte 24 und den Preßblock 26 der in Fig. 7 gezeigten Presse 20 gebracht wird und das vorstehend beschriebene Verfahren zur Ausbildung einer Thermokompressionsverbindung durchgeführt wird. Die Metallisierung kann dabei gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel I aufgebracht worden sein. Die Bindung wird bei einer Temperatur von etwa 325°C in einer Stickstoffatmosphäre hergestellt.
Wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes 40 ansteigt, sind die einzelnen Kupferstifte der Ausgleichsplatte 10 hinreichend frei, um sich in der Ebene der Ausgleichsplatte zu bewegen, wenn sich das Bauelement 40 ausdehnt. Auf diese Weise ermöglicht die Ausgleichsplatte 10 eine Befestigung an einer Halbleiterscheibe, die keine thermisch verursachte Spannung oder Deformation an der Stelle der Befestigung verursacht. Die Ausgleichsplatte 10 liefert eine gute elektrische Verbindung zum Bereich 44 und außerdem eine gute Wärmeableitung von der Halbleiterscheibe.

Claims (5)

1. Leistungs-Halbleiterbauelement mit einer Ausgleichsplatte, mit einem Bündel aus geraden Kupferstiften, die alle im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen und, ausgenommen an ihren Enden einen nicht klebenden Überzug tragen, wobei die Stifte parallel und dicht gepackt angeordnet sind, wobei das eine Ende des Bündels mit einer Halbleiterscheibe verbunden und das gegenüberliegende Ende des Bündels mit einem Kühlkörper verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem gegenüberliegenden Ende des Bündels eine Metallscheibe durch Thermokompression verbunden ist und des genannte eine Ende des Bündels mit der metallisierten Halbleiterscheibe entweder direkt durch Thermokompression oder mit einer mit der metallisierten Halbleiterscheibe verbundenen Metallscheibe durch Thermokompression verbunden ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben aus Kupfer oder Gold bestehen.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben (12, 14) eine Dicke im Bereich von 0,0125 mm bis 0,50 mm aufweisen.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben (12, 14) eine Dicke im Bereich von 0,025 bis 0,075 mm aufweisen.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferstifte (16) Längen im Bereich von 1 mm bis 10 mm aufweisen.
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