DE3926238A1 - SEMICONDUCTOR COMPONENT - Google Patents

SEMICONDUCTOR COMPONENT

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Abstract

In high power semiconductor devices where a metallic conductor 5 is bonded to the surface of a body 1 of semiconductor material, there is bonded over the back face of the metallic conductor a body 7 of a material with a similar coefficient of thermal expansion to the semiconductor body, to reduce or prevent thermal damage to the bond. The body 7 may be alumina and restrains the thermal expansion of the copper conductor 5 to prevent thermal fatigue. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter- Bauelement.The invention relates to a semiconductor Component.

Bei einem Halbleiter-Bauelement, insbesondere einem Leistungsbauelement, ist es üblich, eine Elektrode, bei­ spielsweise aus Kupfer, mit einem Halbleiterkörper über eine aus Molybdän bestehende Puffer- oder Zwischenschicht elektrisch zu verbinden, deren Aufgabe es ist, am Halb­ leiterkörper durch Wärmeeinwirkung verursachte Schäden zu verhindern, die durch die große Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kupfers und des Halb­ leitermaterials hervorgerufen werden.In the case of a semiconductor component, in particular one Power device, it is common to use an electrode for example made of copper, with a semiconductor body over a buffer or intermediate layer made of molybdenum to connect electrically, whose job is at half Damage to the conductor body caused by heat to prevent that by the large difference between the Coefficient of thermal expansion of copper and half conductor material are caused.

Ein Halbleiter-Bauelement, bei dem ein im wesent­ lichen platten-, schicht- oder lamellenförmiger metalli­ scher Leiter über einen ersten Bereich einer seiner Haupt­ oberflächen mit einer Oberfläche eines Körpers aus einem ersten Werkstoff oder Material verbunden ist, das einen wesentlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber dem des metallischen Leiters hat, zeichnet sich nach der Erfindung dadurch aus, daß über einen Bereich auf der anderen Oberfläche des lamellenförmigen Leiters, der dem erstgenannten Bereich gegenüberliegt, eine Verbindung mit einem Körper aus einem zweiten Werkstoff oder Material vorgesehen ist, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der demjenigen des ersten Werkstoffs oder Materials ähnlich ist.A semiconductor device in which an essentially lichen plate, layer or lamellar metallic leader over a first area of one of his main surfaces with a surface of a body from a is connected to the first material or material significantly different coefficients of thermal expansion compared to that of the metallic conductor according to the invention in that over an area the other surface of the lamellar conductor, the the first area opposite, a connection with a body made of a second material or material is provided which has a coefficient of thermal expansion has that of the first material or material is similar.

Ferner ist nach der Erfindung in einem Halbleiter- Bauelement ein im wesentlichen lamellenförmiger metallischer Leiter eingebunden zwischen eine Oberfläche eines Körpers aus Halbleitermaterial und einen Körper aus einem Mate­ rial, der einen im Vergleich zu dem Halbleitermaterial ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.Furthermore, according to the invention in a semiconductor Component an essentially lamellar metallic Ladder bound between a surface of a body  made of semiconductor material and a body made of a mate rial, the one compared to the semiconductor material has similar coefficients of thermal expansion.

Ein Halbleiter-Bauelement mit einem Körper aus Halbleitermaterial, an dem wenigstens eine elektrische Verbindung mittels eines im wesentlichen lamellen- oder plattenförmigen metallischen Leiters vorgesehen ist, zeichnet sich nach der Erfindung dadurch aus, daß ein Abschnitt des lamellenförmigen metallischen Leiters an einer Hauptfläche mit dem Körper aus Halbleitermaterial und an der anderen Hauptfläche mit einem Körper aus einem Material verbunden ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials ähnlich ist.A semiconductor device with a body Semiconductor material on which at least one electrical Connection by means of an essentially lamella or plate-shaped metallic conductor is provided, is characterized according to the invention in that a Section of the lamellar metallic conductor a main surface with the body made of semiconductor material and on the other main surface with a body from one Material is connected, its coefficient of thermal expansion is similar to that of the semiconductor material.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand einer Zeichnung beispielshalber erläutert werden. Es zeigtIn the following the invention on the basis of a Drawing are exemplified. It shows

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten Halbleiter-Bauelements und Fig. 1 is a schematic view of a known semiconductor device and

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Halbleiter-Bauelements. Fig. 2 is a schematic view of a formed according to the invention the semiconductor device.

In Fig. 1 ist eine bekannte Ausführungsform eines Gleichrichterdioden-Bauelements dargestellt. Dieses Bau­ element enthält einen Halbleiterkörper 1, der durch Ver­ löten mit einem Kupferbolzen 2 verbunden ist, der eine Elektrode des Bauelements darstellt. Diese Verbindung ist über einen Zwischenkörper 3 aus einem Material vorgenom­ men, bei dem es sich beispielsweise um Molybdän handelt und das einen Wärmeausdehnungskoeffzienten hat, der demjenigen des Halbleiterkörpers 1 ähnlich ist. Ein weiterer Körper 4 aus Molybdän ist durch Verlöten einge­ fügt zwischen dem Halbleiterkörper 1 und einem Fuß oder einer Fahne 5 aus Kupfer, die die andere Elektrode des Bauelements bildet. Die einander ähnlichen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten der Molybdänkörper 3 und 4 und des Halbleiterkörpers 1 verhindern durch Wärme verursachte Schäden an dem Halbleiterkörper, die sonst aufgrund des viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kupfer­ bolzens 2 und des Kupferfußes 5 entstehen würden.In Fig. 1 shows a known embodiment of a rectifier diode device shown. This construction element contains a semiconductor body 1 , which is connected by soldering to a copper bolt 2 , which represents an electrode of the component. This connection is vorgenom men via an intermediate body 3 made of a material which is, for example, molybdenum and which has a coefficient of thermal expansion that is similar to that of the semiconductor body 1 . Another body 4 made of molybdenum is inserted by soldering between the semiconductor body 1 and a foot or a flag 5 made of copper, which forms the other electrode of the component. The similar thermal expansion coefficient of the molybdenum body 3 and 4 and the semiconductor body 1 prevent damage to the semiconductor body caused by heat, which would otherwise arise due to the much higher coefficient of thermal expansion of the copper bolt 2 and the copper base 5 .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Halbleiter-Bau­ element, das nach der Erfindung ausgebildet ist, ist der Wärmeausdehnung eines kontaktherstellenden Abschnitts 6 des Fußes oder der Fahne 5 aus Kupfer dadurch begegnet, daß direkt oder unmittelbar die Rückseite des Abschnitts 6, d. h. die der Kontaktseite gegenüberliegende Seite oder Fläche des Kupferfußes mit einem Körper aus einem Mate­ rial wie Aluminiumoxid oder Tonerde verbunden ist. Diese Maßnahme hat keine Auswirkung auf die elektrischen Eigen­ schaften des den Kontakt herstellenden Abschnitts 6, vermindert jedoch infolge der Zähigkeit der Verbindung und der Steifigkeit des Körpers aus Aluminiumoxid die tatsächlich erfolgende Wärmeausdehnung des Kupfers bei diesem Abschnitt auf einen Wert, der dicht genug bei dem­ jenigen des Halbleiterkörpers 1 liegt, so daß der Ab­ schnitt 6 direkt mit der Auflage, dem Überzug oder der Metallisierung (plating) auf der Oberfläche des Halb­ leiterkörpers verlötet werden kann. Dieser unmittelbare oder direkte Kontakt mit dem Kupfer stellt eine ausgezeich­ nete Stromausbreitung in der gesamten Kontaktfläche des Halbleiterkörpers sicher und vermeidet den Einsatz von kostspieligem Molybdän.In the semiconductor device shown in Fig. 2, which is designed according to the invention, the thermal expansion of a contact-producing section 6 of the foot or the flag 5 made of copper is countered by the fact that the back of the section 6 , that is, the directly or immediately Contact side opposite side or surface of the copper base is connected to a body made of a material such as aluminum oxide or alumina. This measure has no effect on the electrical properties of the contact-producing section 6 , but, due to the toughness of the connection and the rigidity of the aluminum oxide body, reduces the actual thermal expansion of the copper in this section to a value which is sufficiently close to that of the semiconductor body 1 is located, so that the section 6 can be soldered directly to the support, the coating or the metallization (plating) on the surface of the semiconductor body. This direct or direct contact with the copper ensures an excellent current spread in the entire contact area of the semiconductor body and avoids the use of expensive molybdenum.

Nach der Erfindung können Halbleiterkörper (nicht gezeigt) direkt durch Verlöten mit Kupferleitern verbun­ den werden, die mit einem Substrat aus einem Material ver­ bunden sind, das gute elektrische Isoliereigenschaften und gute Wärmeleiteigenschaften hat, wie beispielsweise Saphir oder Aluminiumoxid, um eine Verbindung herzustel­ len, die im wesentlichen frei von Erwärmungsmüdigkeit ist. Tonerde- oder Aluminiumoxidkörper können nach der Erfindung auf der Rückseite von irgendwelchen Kupfergebilden vor­ gesehen sein, die Kontakte zwischen Halbleiterkörpern auf einem Substrat oder zwischen Halbleiterkörpern und dem Substrat überbrücken, oder als Mittel zum Herstellen von ermüdungsfreien elektrischen Kontakten an dem Substrat.According to the invention, semiconductor bodies (not shown) directly connected by soldering to copper conductors the ver with a substrate made of a material are bound, the good electrical insulation properties and has good thermal conductivity properties, such as Sapphire or alumina to make a connection len, which is essentially free from warming fatigue. Alumina or alumina bodies can according to the invention  on the back of any copper structures be seen, the contacts between semiconductor bodies a substrate or between semiconductor bodies and the Bridge substrate, or as a means of making fatigue-free electrical contacts on the substrate.

Bei der Fertigung wird zunächst eine Unterbaugruppe aus Kupfer/Aluminiumoxid hergestellt, und diese Unterbau­ gruppe wird dann als Baueinheit mit einem Halbleiterkörper verlötet. Anstelle von Aluminiumoxid oder Tonerde können auch Keramiken oder andere Werkstoffe verwendet werden, und zwar unter der Voraussetzung, daß sie einen für die erfindungsgemäßen Zwecke geeigneten Wärmeausdehnungs­ koeffizienten haben und steif genug sind, um der Aus­ dehnung der Kupferkontakte zu widerstehen.During manufacturing, a subassembly is first created made of copper / alumina, and this substructure group is then as a unit with a semiconductor body soldered. Instead of alumina or alumina you can ceramics or other materials are also used, and on the condition that they have one for the Suitable thermal expansion purposes according to the invention have coefficients and are stiff enough to stop to withstand the expansion of the copper contacts.

Die Erfindung umfaßt insbesondere Halbleiter-Bau­ elemente hoher Leistung, bei denen ein metallischer Leiter mit einer Oberfläche eines Körpers aus Halbleitermaterial verbunden ist und bei denen die Rückseite des metallischen Leiters mit einem Körper aus einem Material verbunden ist, das einen im Vergleich zu dem Halbleiterkörper ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, um die Gefahr einer Beschädigung der Verbindung durch Wärmeeinflüsse zu ver­ mindern oder auszuschalten.The invention particularly includes semiconductor construction high performance elements where a metallic conductor with a surface of a body made of semiconductor material is connected and where the back of the metallic Conductor is connected to a body made of a material, the one in comparison to the semiconductor body Coefficient of thermal expansion has to reduce the risk of Damage to the connection due to heat influences reduce or switch off.

Bei den hier in Betracht gezogenen Verbindungen handelt es sich um sogenannte "gebondete" Verbindungen oder "bonds".For the connections under consideration here are so-called "bonded" connections or "bonds".

Claims (4)

1. Halbleiter-Bauelement, bei dem ein im wesentlichen lamellenförmiger metallischer Leiter (5, 6) über einen ersten Bereich einer seiner Hauptoberflächen mit einer Oberfläche eines Körpers (1) eines ersten Materials ver­ bunden ist, das einen wesentlich unterschiedlichen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem des metallischen Leiters hat, und bei dem der metallische Leiter (5, 6) über einen zum ersten Bereich entgegengesetzt liegenden Bereich der anderen Oberfläche des lamellenförmigen me­ tallischen Leiters (5, 6) mit einem Körper (7) eines zweiten Materials verbunden ist, das einen dem ersten Material ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.1. Semiconductor component in which a substantially lamellar metallic conductor ( 5, 6 ) is connected via a first region of one of its main surfaces to a surface of a body ( 1 ) of a first material, which has a substantially different coefficient of thermal expansion than that of the has metallic conductor, and in which the metallic conductor ( 5, 6 ) is connected to a body ( 7 ) of a second material via a region opposite the first region of the other surface of the lamellar metallic conductor ( 5, 6 ) has a coefficient of thermal expansion similar to that of the first material. 2. Halbleiter-Bauelement, bei dem ein im wesentlichen lamellenförmiger metallischer Leiter (5, 6) eingebunden ist zwischen einer Oberfläche eines Körpers (1) aus Halbleitermaterial und einen Körper (7) aus Material, das einen im Vergleich zum Halbleitermaterial ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.2. Semiconductor component in which an essentially lamellar metallic conductor ( 5, 6 ) is integrated between a surface of a body ( 1 ) made of semiconductor material and a body ( 7 ) made of material which has a coefficient of thermal expansion similar to that of the semiconductor material. 3. Halbleiter-Bauelement enthaltend einen Körper (1) aus Halbleitermaterial, an dem wenigstens eine elektrische Verbindung mittels eines im wesentlichen lamellenförmigen metallischen Leiters (5, 6) angebracht ist, und zwar der­ art, daß ein Abschnitt des lamellenförmigen metallischen Leiters (5, 6) an einer Hauptfläche mit dem Körper (1) aus Halbleitermaterial verbunden ist und an der anderen Hauptfläche mit einem Körper (7) aus Material verbunden ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleitermaterials ähnlich ist.3. Semiconductor component comprising a body ( 1 ) made of semiconductor material, to which at least one electrical connection is attached by means of an essentially lamellar metallic conductor ( 5, 6 ), namely in such a way that a section of the lamellar metallic conductor ( 5, 6 ) is connected on one main surface to the body ( 1 ) made of semiconductor material and on the other main surface is connected to a body ( 7 ) made of material whose coefficient of thermal expansion is similar to that of the semiconductor material. 4. Halbleiter-Bauelement, enthaltend einen Körper (1) aus Halbleitermaterial, einen Elektrodenanschluß (5, 6) aus Kupfer und einen zweiten Körper (7) aus Aluminiumoxid, Tonerde, Saphir oder einem keramischen Werkstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des Halbleiter­ materials ähnlich ist, bei welchem Halbleiter-Bauelement ein im wesentlichen flacher Anschlußabschnitt (6) des Elektrodenanschlusses auf seiner einen Seite mit dem Halbleiterkörper (1) und auf seiner anderen Seite mit dem zweiten Körper fest verbunden bzw. gebondet ist.4. Semiconductor component containing a body ( 1 ) made of semiconductor material, an electrode connection ( 5, 6 ) made of copper and a second body ( 7 ) made of aluminum oxide, alumina, sapphire or a ceramic material, the coefficient of thermal expansion of which is similar to that of the semiconductor material , in which semiconductor component an essentially flat connection section ( 6 ) of the electrode connection is firmly connected or bonded to the semiconductor body ( 1 ) on one side and to the second body on its other side.
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