DE4020577A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE4020577A1
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Ryoichi Kobayashi
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung.
Verbindungsstellen einer Halbleiteranordnung werden üblicher­ weise durch Lot verbunden, welche Technologie beispielsweise in JP-A-61-1 39 047 beschrieben ist.
Wenn jedoch eine solche Halbleiteranordnung in einem Motor­ raum einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet wird, ist es erforderlich, ein Wärmezyklusproblem zu lösen.
Beispielsweise wird bei einer bekannten Halbleiteranordnung ein Pb/Sn/Ag-Legierungslot (Gewichtsverhältnis 93,5/5/1,5) verwendet, das ein sog. Hochschmelzpunktlot ist. Jedoch tritt in der Praxis das Problem einer Rißbildung im Lot zwischen einer Isolierplatte und einer Wärmeableitplatte auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter­ anordnung zu entwickeln, bei der in Lötverbindungen zwi­ schen einer Isolierplatte und einer Wärmeableitplatte keine Rißbildung im Lot auftritt, auch wenn die Halbleiter­ anordnung Wärmezyklen ausgesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Halbleiteranordnung mit
  • a) einem Halbleiterschaltelement zum Steuern eines An­ triebs od. dgl.;
  • b) einer Isolierplatte, die mit dem Halbleiterschaltele­ ment direkt durch Lot, oder durch Lot, eine Wärmeab­ leitplatte und Lot verbunden ist; und
  • c) einer metallischen Wärmeableitplatte, die mit der Isolierplatte durch ein Blei-Zinn-Legierungslot mit einem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden ist.
Durch Verwendung der Blei-Zinn-Legierung mit dem Gewichts­ verhältnis von 50±5/50±5 als Lot zur Verbindung einer metallischen Wärmeableitplatte mit der Isolierplatte wird eine Halbleiteranordnung erhalten, die gegenüber Wärme­ zyklen sehr beständig ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 ff. gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschau­ lichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungs­ gemäßen Halbleiteranordnung;
Fig. 2 ein Ergebnis eines Dauerhaftigkeitsversuchs; und
Fig. 3 bis 5 Schnittdarstellungen von Abwandlungen der Halbleiteranordnung nach Fig. 1.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die eine Halbleiteranordnung verwendet. Ein Gehäuse 100 weist einen Formkasten 1 und eine aus Kupfer bestehende Wärmeableitplatte 80 auf. Der Formkasten 1 und die Wärmeableitplatte 80 sind durch Kleb­ stoff 11 verbunden.
Eine Leistungsschalterhalbleitereinheit 110 und eine Ver­ stärkungshalbleitereinheit 120 sind in dem Gehäuse 100 untergebracht und durch eine Zuleitung 13 verbunden. Die Verstärkungshalbleitereinheit 120 ist außerdem mit einem äußeren Anschluß 12 verbunden.
Die Verstärkungshalbleitereinheit 120 weist eine Verstär­ kungsschaltungsplatte 9 auf die mit der Wärmeableitplatte 80 durch Klebstoff 10 fest verbunden ist.
Andererseits weist die Leistungsschalterhalbleitereinheit 110 ein Halbleiterbauelement 2, eine Molybdänplatte 40 mit einer Wärmeableitfunktion und eine Aluminiumoxidplatte 60, die eine Isolierplatte ist, auf, die durch Lot verbun­ den sind. Das Halbleiterbauelement 2 und die Molybdänplatte 40 sind durch Pb/Sn/Ag-Legierungslot 3 (Gewichtsverhältnis 93,5/5/1,5) verbunden, das als Hochschmelzpunktlot be­ zeichnet wird, und die Molybdänplatte 40 und die Aluminium­ oxidplatte 60 und die Wärmeableitplatte 80 sind durch Blei-Zinn-Legierungslote 5 bzw. 7 mit einem Gewichtsver­ hältnis von 50±5/50±5 verbunden.
Es wird nun ein Dauerhaftigkeitsversuch für eine Halb­ leiteranordnung erläutert, die das Blei-Zinn-Legierungs­ lot mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verwendet.
Beim Dauerhaftigkeitsversuch wurden eine mit Wolfram-Nickel beschichtete Aluminiumoxidplatte von 8,5 mm-Quadrat und 0,5 mm Dicke und ein Halbleiterbauelement (Silizium­ plättchen) von 8,2 mm-Quadrat und 0,25 mm Dicke auf einer mit Nickel beschichteten Wärmeableit-Kupferplatte von 3,2 mm Dicke angeordnet, und sie wurden mit Blei-Zinn- Lot von 100 µm Dicke mit verschiedenen Zusammensetzungen verbunden, um verschiedene Versuchsproben herzustellen. Sie wurden eine Stunde bei -55°C und eine Stunde bei +150°C gehalten. Dieser Zyklus wurde wiederholt, und die Zahl von Zyklen, bei der eine Rißbildung zwischen der Aluminiumoxidplatte und der Kupferplatte auftrat, wurde gezählt.
Fig. 2 zeigt ein Ergebnis des Dauerhaftigkeitsversuchs. Die Abszisse stellt das Gewichtsverhältnis von Blei und Zinn dar, und die Ordinate stellt die Durchschnittslebens­ dauer (die Zahl von Zyklen, bis die Rißbildung auftritt) dar.
Wie man aus Fig. 2 ersieht, wurde, wo das Blei-Zinn- Legierungslot mit einem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verwendet wurde, während 2000 Zyklen oder etwas darüber keine Rißbildung erfaßt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden die Wärmeableit­ platte 80 und die Aluminiumoxidplatte 60 und die Molybdän­ platte 40 durch das Blei-Zinn-Legierungslot 7 bzw. 5 mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden. Alternativ können auch das Halbleiterbauelement 2 und die Molybdän­ platte 40 durch das Blei-Zinn-Legierungslot mit dem Ge­ wichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden werden.
Jedoch ist, da das Blei-Zinn-Legierungslot mit dem Gewichts­ verhältnis von 50±5/50±5 eine Neigung zum Abfall der Ver­ bindungsfestigkeit über 200°C hat, vorzuziehen, daß es für einen Teil verwendet wird, der Bedingungen von unter 200°C ausgesetzt wird.
Bei der Halbleiteranordnung dieser Art wird eine große Kontaktfläche vorgesehen, um für die Isolierplatte 60 und die Wärmeableitplatte 80 ein gutes Wärmeableitver­ mögen zu ermöglichen, damit die Wärme der Halbleiteran­ ordnung abgeleitet wird. Wegen dieser großen Kontakt­ fläche tritt die Rißbildung leichter auf. Demgemäß wird das Blei-Zinn-Legierungslot mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 wenigstens zwischen der Wärmeableitplatte 80 und der Isolierplatte 60 verwendet.
Abwandlungen des Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung werden nun anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert.
In Fig. 3 sind ein Halbleiterbauelement 2 und eine aus Berylliumoxid hergestellte Isolierplatte 61 durch ein Hochschmelzpunktlot 3 verbunden, und eine Wärmeableitplatte aus einer Kupferplatte 81 und einer damit verbundenen Aluminiumoxidplatte 82 und die Berylliumoxid-Isolierplatte 61 sind durch das Blei-Zinn-Legierungslot 7 mit dem Ge­ wichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden.
In Fig. 4 sind ein Halbleiterbauelement 2, eine aus Kupfer hergestellte Wärmeableitplatte 41 und eine aus Aluminium­ oxid hergestellte Isolierplatte 60 durch Hochschmelzpunkt­ lot 3 verbunden, und die Aluminiumoxid-Isolierplatte 60 und die Aluminium-Wärmeableitplatte 82 sind durch das Blei-Zinn-Legierungslot 7 mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden.
In Fig. 5 sind ein Halbleiterbauelement 2 und eine aus Aluminiumnitrid hergestellte Isolierplatte 62 durch Hoch­ schmelzpunktlot 3 verbunden und die aus Aluminiumnitrid hergestellte Isolierplatte 62 und eine aus Aluminium herge­ stellte Wärmeableitplatte 82 sind durch Blei-Zinn-Legie­ rungslot 7 mit einem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden.
Bei den vorstehenden Abwandlungen sind die Isolierplatte und die Wärmeableitplatte durch das Blei-Zinn-Legierungs­ lot 7 mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden. Wo die Betriebstemperatur unter 200°C ist, können die Isolierplatte und das Halbleiterbauelement auch durch das Blei-Zinn-Legierungslot mit dem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5, wie vorher beschrieben, verbunden sein.
Beim Ausführungsbeispiel wird das Leistungsschalterhalb­ leiterbauelement verwendet, obwohl auch andere Halbleiter­ bauelemente verwendet werden können.
Gemäß der Erfindung wird die Rißbildung im Lot zwischen der Isolierplatte und der Wärmeableitplatte während des Wärmezyklus erheblich vermindert, und es wird eine sehr praktische und wirkungsvolle Halbleiteranordnung zur Ver­ fügung gestellt.

Claims (6)

1. Halbleiteranordnung mit:
  • a) einem Halbleiterschaltelement (110, 120) zum Steuern eines Antriebs oder dgl.;
  • b) einer Isolierplatte (60; 61; 62), die mit dem Halblei­ terschaltelement (110, 120) direkt durch Lot (3), oder durch Lot (3), eine Wärmeableitplatte (40; 41) und Lot (5; 3) verbunden ist; und
  • c) einer metallischen Wärmeableitplatte (80; 81; 82), die mit der Isolierplatte (60; 61; 62) durch ein Blei-Zinn-Le­ gierungslot (7) mit einem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei-Zinn-Legierungslot (7) eine Eigenschaft von Rißbildungsfreiheit über im wesentlichen 2000 Zyklen hat, wovon jeder Zyklus ein Halten bei -55°C für eine Stunde und dann ein Halten bei +150°C für eine Stunde umfaßt.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichcnet, daß die Isolierplatte (60) auch mit der zwischen dieser und dem Halbleiterschaltelement (110, 120) liegenden Wärmeab­ leitplatte (40) durch ein Blei-Zinn-Legierungslot (5) mit einem Gewichtsverhältnis von 50±5/50±5 verbunden ist. (Fig. 1)
4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte (60; 61; 62) aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid besteht. (Fig. 1, 3, 5)
5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Anspruch 1 (c) genannte metallische Wärmeab­ leitplatte (80; 81; 82) aus Kupfer oder Aluminium besteht.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Isolierplatte (60) und dem Halblei­ terschaltelement (110,120) liegende Wärmeableitplatte (40; 41) aus Molybdän oder Kupfer besteht. (Fig. 1, 4)
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