DE2936816A1

DE2936816A1 - Buerstenkontakt fuer leistungshalbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE2936816A1
Application number: DE19792936816
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Baden Aargau Weisshaar
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1979-09-12
Publication date: 1981-03-26
Also published as: JPS5630733A

Description

Bürstenkontakt für Leistungshalbleiterbauelemente
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bürstenkontakt für Leistungshalbleiterbauelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Verfügbarkeit von scheibenförmigen Leistungshalbleiterbauelementen aus Silizium mit Scheibendurchmessern von 50 mm bis 100 mm ermöglichte Betriebsstromstärken dieser Halbleiterbauelemente von mehreren kA. Nach der DE-OS 1 464 401 ist es bekannt, die elektrische sowie die thermische Kontaktierung solcher Halbleiterbauelemente durch direkte Druckkontakte über eine Molybdän-Druckplatte auf die Metallisierung des Siliziums vorzunehmen. Dabei ist keine sonst üblicherweise verwendete, mit dem Silizium durch eine Aluminiumlegierung stoffschlüssig verbundene Molybdän- oder Wolframscheibe erforderlich. Druckkontakte stellen jedoch grosse Anforderungen an die Konstruktion des Gehäuses und an Montageeinrichtungen, da bei grossen Kontaktflächen grosse Drücke im Bereich von 107 Pa aufgebracht werden müssen.
Dieser Nachteil wird gemäss der DE-PS 1 205 625 durch Verwendung eines bei mittleren Betriebstemperaturen des Halbleiterbauelementes flüssigen Lotes verringert, wobei die Oberflä- chenspannung des Lotes oder ein temperaturbeständiger Schutzlack z.B. aus Silikon oder ein Dichtungsring'ein Ausfliessen der flüssigen Metallschicht verhindert. Ein geringer Andruck ist auch hierbei erforderlich.
Ohne Einspannvorrichtung werden bei Halbleiterbauelementen für kleinere Leistungen Weichlote und für scheibenförmige Siliziumhalbleiterbauelemente bis 20 mm Durchmesser und Ströme bis etwa 200 A Hartlote verwendet. Durch weiche, duktile Lote kann eine starke mechanische Beanspruchung des Halbleiters infolge sehr unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der kontaktierenden Werkstoffe vermieden werden. Diese Lote weisen aber infolge plastischen Fliessens und Rekristallisierungsvorgängen bei Temperaturwechselbeanspruchungen Ermüdungserscheinungen auf, die zur Auftrennung der Lötverbindung und zu einer Zerstörung des Halbleiters führen können. Es wurde daher versucht, das Weichlot durch spröde Lote zu ersetzen und unter Verwendung dicker Wolfram- bzw. Molybdänträgerplatten die durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verursachten Spannungen in den Kühlboden aus Kupfer selbst zu verlegen.
Hartlote benötigen zur guten Benetzung relativ hohe Temperaturen, so dass bei Elementen mit grossen Flächen nach dem Abkühlen sehr grosse innere Spannungen verbleiben. Diese können die Ueberlastfestigkeit der Halbleiterbauelemente beeinträchtigen. Vor allem wirken sich hohe Kapselungstemperaturen schädlich auf die Sperrfähigkeit der Halbleiterbauelemente aus, sei es durch Verdampfung von Lot- oder Gehäusewerkstoff, durch Diffusion z.B. von Kupfer in den Halbleiter oder durch Veränderung des Oberflächenzustandes des Halbleiters selbst.
In der deutschen Patentanmeldung 2 855 493.0 wird vorgeschlagen, den elektrischen und Wärmeübergang von Leistungshalbleiterbauelementen auf die Wärmeableitplatten durch einen Metallkontakt aus einem bürstenähnlichen Bündel von Einzeldrähten zu gewährleisten, wobei mindestens ein Teil der Einzeldrähte grössere Längen besitzen, als sie dem zu überbrückenden Abstand entsprechen. Die einzelnen Drähte können bezüglich der Bündelachse verdrillt und mit einer Gleitschicht überzogen sein, um Zugspannungen zu reduzieren, die ansonsten durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der in Kontakt miteinander stehenden Werkstoffe bei Temperaturänderungen auftreten würden. Um eine hohe Packungsdichte des Bündels bei Aufrechterhaltung weitgehend freier Beweglichkeit der Drähte gegeneinander zu ermöglichen und eine Verunreinigung z.B. durch Lotwerkstoff zu verhindern, sind die Draht zwischenräume mit einer hochelastischen Füllmasse z.B. aus Silikonkautschuk ausgefüllt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Dauerhaftigkeit von Bürstenkontakten für Leistungshalbleiter bei Temperatur- und/ oder Lastwechseln des Halbleiterbauelementes zu verbessern.
Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine individuelle, punktförmige Kontaktierung der Drähte mit Metallisierungsinseln auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Halbleiterbauelementes eine erhöhte Lastwechselfestigkeit bzw. Lastwechselzahl ermöglicht wird. Bei Verwendung von Hartlot kommt es kaum noch zum Ausbrechen von Halbleiterwerkstoff und bei Weichlot nicht zu nennenswerten Ermüdungserscheinungen. Mit der erfindungsgemässen Kontaktierung sind Lastwechselzahlen r 50 000 erreichbar, bei einem Wärmewiderstand von z.B. Rth = 0>05 K/W.
Dreieckförmlge Vertiefungen zwischen benachbarten Metallisierungsinseln, wie sie gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sind, bieten den Vorteil, dass sie z.B. durch kristallorientierte Aetzung bezüglich Breite und Tiefe definiert und gut reproduzierbar herstellbar sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bürstenkontaktes und Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit dreieckförmigen Vertiefungen zwischen benachbarten Metallisierungsinseln gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung.
Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind zahlreiche, im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Drähte 1 aus Kupfer mit kreisförmigem Querschnitt an ihren Kontaktenden mittels eines Lotes 3 stoffschlüssig mit Metallisierungsinseln LI verbunden, die auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Halbleiterbauelementes 5 angeordnet sind. An- stelle von Kupferdrähten können auch Drähte aus einem anderen duktilen und elektrisch gut leitenden Werkstoff, wie z.B. Gold, Silber, Zinn oder Messing, verwendet werden.
Die Länge der Drähte liegt im Bereich von 3 mm bis 20 mm, vorzugsweise bei 10 mm, ihre Dicke im Bereich von 0,02 mm bis 0,2 mm. Bei diesen Abmessungen ist eine ausreichende laterale Beweglichkeit der Drähte gewährleistet, um thermischen Ermüdungserscheinungen vorzubeugen.
Als Lot eignen sich sowohl Weichlote, wie z.B. PbAg (2,5 % Ag)- oder PbSn (60 % Sn)-Legierungen3 als auch Hartlote, wie z.B. AuSn (20 % Sn)- oder AgCu-Legierungen. Die Lotschicht soll möglichst dünn, d.h. nicht dicker als der Durchmesser eines Drahtes sein.
Das Halbleiterbauelement 5 ist vorzugsweise ein scheibenförmiger Siliziumhalbleiter. Andere Halbleiterwerkstoffe, wie z.B. Germanium, III-V- oder II-VI-Verbindungen sind ebenfalls geeignet.
Die Metallisierung auf der zu kontaktierenden Oberfläche des Halbleiterbauelementes ist durch Trennkanäle, Rillen, Vertiefungen oder dgl. in zahlreiche kleine Inseln aufgeteilt. Die Zahl der Metallisierungsinseln ist etwa gleich der Zahl der Drähte 1, so dass im statistischen Mittel auf jede Metallisierungsinsel ein Draht kommt. Für diese Metallisierung der Halbleiterbauelemente kann ein dafür übliches Material, wie z.B. eine NiAu-> AlAg-, CrNiAg-, CrAu- oder AlCrNiAg-Legierung verwendet werden. Es soll eine lötbare Schicht sein. Diese Schicht kann durch ein in der Halbleitertechnologie übliches Verfahren, z.B. durch Aufdampfen unter Verwendung von Schablonen aufgebracht werden.
Wesentlich ist, dass keine zusammenhängende Metallisierung bzw. Lötschicht entsteht, die auf Grund ihrer hohen thermischen Dehnung Spannungen auf die Halbleiterscheibe ausüben kann. Im Zwischenraum 2 zwischen den Bürstendrähten 1 ist Luft oder vorzugsweise ein leicht deformierbarer elastischer Füllstoff, wie z.B. Silikonkautschuk, angeordnet, der den Drähten Halt verleiht, eine gegenseitige Beweglichkeit der Drähte gewährleistet und möglichst gut zur Wärmeableitung beiträgt. Durch Tränken des Bürstenkontaktes in Silikonkautschuk sind hohe Füllgrade bis etwa 90 % erreichbar, welche eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit gewährleisten.
In Fig. 2 ist ausschnittsweise eine metallisierte Oberfläche eines Halbleiterbauelementes 5 gezeigt, bei der die Metallisierungsinseln 4 in gleichmässigem Abstand voneinander durch Rillen bzw. im Querschnitt dreieckförmige Vertiefungen 6 voneinander getrennt sind. Diese Rillen sind nicht metallisiert. Sie lassen sich z.B. durch kristallorientiertes, anisotropes oder dotierungsabhängiges Aetzen definiert in den Abmessungen und gut reproduzierbar herstellen. Die grösste Rillenbreite d beträgt das 1- bis 2fache, vorzugsweise das 1,4fache der Rillentiefe a. Die Rillentiefen liegen im Bereich von 5 pm bis 100 ßum. Die Vertiefungen oder Trennkanäle 6 können auch durch ein mechanisches oder chemisches Auftrennen der Metallisierung hergestellt werden.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Kontaktierung erläutert. Die Drähte 1 leiten sowohl den elektrischen Strom als auch die vom Halbleiterbauelement 5 abzuführende Verlustwärme an ein an sich bekanntes und deshalb hier nicht gezeigtes Kühlelement weiter, das gleichzeitig eine Stromelektrode sein kann. Diese über die Metallisierungsschicht 4 und Lotschicht 3 abzuführende Verlustwärme bewirkt eine Temperaturänderung in der Halbleiterscheibe 5 und auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Halbleiterwerkstoff und Kontaktierungsschichten mechanische Spannungen im Bereich der Grenzflächen dieser verschiedenen Werkstoffschichten. Da die mechanische Scherspannung proportional zur wirksamen Fläche am Uebergang ist, und diese Fläche praktisch relativ klein, d.h. in der Grössenordnung der Querschnittsfläche der Bürstendrähte ist, ist diese an einer Metallisierungsinsel 4 auftretende Spannung relativ gering. Dadurch wird im Vergleich zu der Scherspannung, die an der gesamten aktiven Fläche des Halbleiterbauelementes 5 auftreten würde, eine hohe Dauerfestigkeit dieses Kontaktes bei häufigen Temperaturänderungen gewährleistet.
Der Erfindungsgegenstand ist auf das in der Zeichnung Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. Anstelle einer Lotschicht 3 kann z.B. eine Schweissschicht oder eine Thermokompressionsschicht vorgesehen sein. Die Lotschicht kann vor der Kontaktierung auf die Kontakt enden der Bürstendrähte aufgedampft oder aufgestäubt sein. Anstelle dreieckförmiger Rillen 6 zwischen den Metallisierungsinseln 4 können z.B.
rechteckförmige, bogenförmige oder anders gestaltete Rillen vorgesehen sein. Der Bürstenkontakt kann aus parallel angeordneten einzelnen Litzen oder Bündeln von Drähten aufgebaut werden, wobei die Drähte bezüglich der Bündelachse verdrillt sein können. Statt eines kreisförmigen Quer- schnitts können die Drähte einen ovalen, rechteckigen oder anderen Querschnitt aufweisen.
Der erfindungsgemässe Bürstenkontakt eignet sich besonders für Hochleistungsdioden, -thyristoren, -transistoren und Lichtwandlerelemente.

Claims

Patentansprüche 1. Bürstenkontakt für Leistungshalbleiterbauelemente a) mit mindestens einem Metallkontakt bzw. einer Metallelektrode mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Drähten (1) als Kontaktelemente zum Leistungshalbleiterbauelement (5), b) welche Drähte stoffschlüssig mit einer Kontaktierungsschicht des Leistungshalbleiterbauelementes (5) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Kontaktierungsschicht eine Vielzahl von gesonderten Metallisierungsinseln (4) aufweist.
2. Bürstenkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen benachbarten Metallisierungsinseln (4) nichtmetallisierte Vertiefungen (6) in das Halbleiterbauelement (5) erstrecken.
3. Bürstenkontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) diese Vertiefungen (6) im Querschnitt dreieckförmig sind, b) dass das Verhältnis von Breite (b) zur Tiefe (a) dieser Vertiefungen im Bereich von 1 bis 2, insbesondere bei 1,4 liegt und dass c) diese Tiefe (a) im Bereich von 5 lum bis 100 tim liegt.
4. Bürstenkontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (1) über ein Metalllot (3) mit den Metallisierungsinseln (4) verbunden sind.
5. Bürstenkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Durchschnitt ein Draht (1) mit nur einer Metallisierungsinsel (4) verbunden ist.
6. Bürstenkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Drähte (1) eine Länge im Bereich von 3 mm bis 20 mm, insbesondere von 10 min und b) eine Dicke im Bereich von 0,02 mm bis 0,2 mm aufweisen.