DE6607827U

DE6607827U - Halbleiterbauteil

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Publication number: DE6607827U
Application number: DE19686607827
Authority: DE
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1967-07-07
Filing date: 1968-07-05
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR1571863A; GB1210584A

Description

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Dipl-Ing. K. LAMPRECHT ···* ' '.·" ..". '

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München 22, Steinsdorfstr. 10 8l-l3 673H f*

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Halbleiterbauteil

Die Neuerung bezieht sich auf den Aufbau eines Halbleiterbauteils , insbesondere auf einen Verbundaufbau zwischen einem Halbleiterelement und einem Gehäusekörper dafür.

Allgemein ist bei Verbundaufbauten von Halbleiterbauteilen,, insbesondere aus Halbleiterelementen und dafür bestimmten Gehäusen ein Aufbau erwünscht., bei dem die Herausführung von Elektroden leicht, die Wärmeabführung gut und der Aufbau und die Abdichtung einfach sind. Als Beispiel solcher Aufbauten wurde ein Stirnverbindungstyp-Elektrodenherausführungsaufbau vorgeschlagen., um das Herausführen von Elektroden zu erleichtern und gleichzeitig den Zusammenbauvorgang zu vereirfachen. Die Stirnverbindungsbauweise ist derart, caS eine Hauptoberfläche eines Halbleiterelements, an dem tierausragenae Elektroden vorgesehen sind,, und eine Isolierbasispiatte₅ welche ein Bestandteil eines Gehäusekörpers ist und an der Leiter in gedruckter Schaltungstechnik vorgeseilen sind» Fläche zu Flache in Berührung gebracht werden und eine ElektrodenverlainQ-ung in einer Ebene geschaffen wird. 3ei einem solchen Aufbau ist, da die Sleictroden des Elements

81-(Pos. 14 682)-TpOt (7)

und die Leiter an der Basisplatte direkt ohne Zwischenverbindungselemente , wie Verbindungsleiter od. dgl. verlötet werden,, der Vorteil gegeben, daß die Verbindungsverfahren in weitern Umfang vereinfacht sind und der Widerstand eines dazwisehengggchalteten Verbindungselementes wegfällt. Ebenfalls ist es entsprechend einem solchen Aufbau., wenn eine integrierte Schaltung se in- j heit durch Anordnung einer Mehrzahl von Sehaltkreiselementen \ auf der Basisplatte zusammengestellt ist, möglich, die Schalt- 1 kreiselemente in irgendwelchen Abständen zu halten. Daher ist jj ein solcher Aufbau vorteilhaft für die Verhinderung elektro- )

statischer kapazitiver Kopplung zwischen den Elementen. Da in- j dessen ein solcher Halterungsaufbau ungünstige 'Wärmeabführungseigenschaften an den aktiven Zonen der Einrichtung aufweist, lassen sich die Schaltkreiseigenschaften so nicht verbessern. _f

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau eines j Halbleiterbauteils zu schaffen, mit dem der Nachteil eines Halb- ^] leiterbauteils der Stirnflächenverbindungsart, insbesondere die schlechte Wärmeableitung, überwunden wird und ein leichter Aufbau gegeben ist.

Diese Aufgabe -wird neuerungsgeaäS durch ein Halbleiterbauteil gelöst, welches durch ein Isoüergehluse aus einer Bodenplatte ; und einer Seitenplattenwand mit einer öffnung, eine Abdiehtplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Abschluß der öffnung, ein in einem luftdichten, durch das Gehäuse und die Abdiehtplatte gebildeten Raum angeordnetes Halbleiterelement mit zwei Hauptflächen, an deren einer eine Mehrzahl von Metallelektroden ausgeöildet ist, eine Mehrzahl von aus dem Inneren zwischen der Bodenplatte und der Seitenplattenwand zum Süßeren des Gehäuses führenden, mit den Elektroden verbundenen Leitern und ein Element zum thermischen Koppeln der anderen Hauptfläche mit der Abdiehtplatte gekennzeichnet 1st.

Das thermische Kopplungselement besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff niedrigeren Schmelzpunkts als desjenigen des Elektrodenmetalls. Es kann sich dabei um ein Metall oder ein Kunstharz mit hoher Wärmeleitfähigkeit handeln.

£ Das Gehäuse ist zweckmäßig aus einem keramischen Werkstoff.

Glas oder dgl., hergect^.lt.

Das Halbleiterbauteil gemäß der Neuerung hat folgende Vorteile im Vergleich mit einem herkömmlichen Stirnflächenverbindungstyp-Halbleiterbauteil :

1) Da eine Hauptfläche des Elements in ihrer Gänze mit einer Abdichtplatte hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden wirdi, ist die Wärmeableitung sehr gut.

2) Da die Verbindung zwischen den Elektroden des Elements und den Leitern hergestellt werden kann, bevor das Element mit dem Wärmeableiter verbunden wird, ist die Ausrichtung zwischen ihnen leicht und sicher^ und darüber hinaus läßt sich die Abdichtplatte, d.h. der Wärmeableiter leicht mit dem Element verbinden, ohne daß die Ausrichtung zwischen ihnen beachtet zu werden braucht. Beim Verbinden der Abdichtplatte mit dem Element wird ein geschmolzenes oder erweichtes Material hoher Wärmeleitfähigkeit dazwischen angeordnet, und daher ist die auf das Element ausgeübte Belastung klein. Daher wird das Element niemals beschädigt.

Die Neuerung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausfünrungsbexspiele naher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen Quersdinifcfc des grundsätzlichen Aufbaues eines Hslöleiterbautells gemäß der Neuerung;

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Fig. 2 und 3 eine perspektivische und eine Schnittansicht von einzelnen Verfahrensschritten zur Herstellung eines Halbleiterbauteils gemäß der Neuerung; und

Fig. 4 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauteils gemäß der Neuerung.

In Fig. 1 umfaßt ein Halbleiterelement einen Halbleiterkörper 1, aktive Zonen 2b, 2e und 2c, wie z.B. eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor, die in einer Hauptfläche des Körpers 1 gebildet sind, einen Isolierfilm 3, wie z.B. einen auf der Oberfläche des Körpers 1 erzeugten Siliziumdioxydfilm» und Elektroden 4b, 4e und 4c einschließlich Lötwerkstoff und Metallbällen, die auf der Hauptoberfläche des Körpers 1 vorgesehen sind. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine flache Bodenplatte eines offenen Gehäuses, weiches aus feinem Isoli.fstoff, wie z.B. Keramik zur Aufnahme und Befestigung des Elements hergestellt ist, die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Seitenplattenwand des Gehäuses, die Bezugsziffer 7 Leiter, die aus einer durch Drucktechnik auf der inneren Oberfläche der Bodenplatte vorgesehenen metallisierten Schiebt bestehen, die Bezugsziffer 8 bezeichnet Zuführuns^sstreifen in Verbindung -mit öen Leitern, die aus dem Gehäuse zwischen der· BaSispiefet« ΰχϊύ ύ^τ Sextenplattenwana herausgeführt sind* und die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Metallabdichtplatte zum Verschließen der öffnung des Gehäuses. Der Halbleiterkörper 1 ist an einer Hauptoberfläche der inneren Oberfläche der Basisplatte 5 gegenübergestellt, damit die Elektroden, mit den entsprechenden Leitern verlötet werden, und steht mit der anderen Hauptoberflache der inneren Oberfläche der Abdichtpla-tte 9 gegenüber, damit dort eine mechanisch und thermisch, feste Verbindung zwisenen diesen Teilen über die Zwischenschaltung einer ausreichend dicken Lötschient 10 geschaffen wird.

Die Herstellung eines ähnlichen Halbleiterbauteils gemäß der ] Neuerung wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Zunächst werden kammartige Zuführungen l8a bis l8d, die aus einer Metallplatte ausgestanzt sind, auf einer im wesentlichen flachen Keramikbodenplatte 15 angeordnet, an der Leiter 17a bis l?d angebracht sind, und dann werden Kantenteile der Zuführungen mit den Leitern unter Verwendung eines verhältnismäßig hochschmelzenden Lötmaterials, z.3. Silberlötmittel mit einem Schmelzpunkt von S50 " verbunden. Anschlieiend wird eine rahmenförmig ausgebildete Seitenplattenwand l6 auf der Basispiatte angeordnet und mit dieser mittels eines Bindemittels wie Glas mit einem Schmelzpunkt von etwa 450°C verbunden. Danach vvird ein Halbleiterelement 11, xuie z.B. eine integrierte Halbleiterschaltung mit z.B. aus Zinnbleilegierung (mit einem Schmelzpunkt von etwa 250⁰C) auf der einen Hauptoberfläche hergestellten Elek- ; troden in der Wäse auf die innere Oberfläche der Bodenplatte gebracht, daS die Elektroden des Halbleiterelements in Berührung mit den entsprechenden Leitern an der Bodenplatte gelangen, und diese Elektroden und Leiter werden durch Schweißen oder Löten verbunden. Ein gemeinsamer Teil l8 der kammartigen Zuleitungen l8a bis l8d wird entlang gestrichelter Linien 21 abgeschnitten, nachdem die Zuführungen l8a bis l8d an den Leitern 17a bis 17d befestigt wurden.

Anschließend wird das, wie vorstehend beschrieben, erhaltene ; Gehäuse umgedreht, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und auf eine Abdichtmetallplatte 19 gelegt, auf welcher eine genügend dicke Schicht eines niedrig schmelzenden Lötwerkstoffes 20, der z.B. aus einer Zinnbleilegierung (mit einem Schmelzpunkt von etwa 200°C) besteht, niedergeschlagen ist, wobei dazwischen noch Lötwerkstoff 21, der z.B. aus einer Zinnbleilegierung (mit einem Schmelzpunkt von etwa 200°C) besteht, angeordnet wird. Die Oberseite der S-itenplattenwand l6 wird vorher mit einer Metallschicht guter Benetzbarkeit für den Lötwerkstoff, z.B* mit einer Nickelschicht bedeckt. Das Element 11 und die Abdicht-

platte 19 sowie die Seitenplattenwand l6 und die Abdichtplatte 19 werden gleichzeitig durch. Erhitzen miteinander verbunden. So wird das Halbleiterelement 11 hermetisch in dem Gehäuse eingeschlossen, wobei seine Rückfläehe in Berührung mit der Abdichtplatte 19 ist, die als Wärmeabfünrelement dient. Es ist hinsichtlich der Rückfläche des Halbieiterelements wünschenswert, daS sie vorher mit einer Metallschicht guter Benetzbarkeit für den Lötwerkstoff, ζ.3. mit einer Nickelschicht versehen wird.

In dem vorstehenden Beispiel können die Leiter 17a bis 17d eingespart und die Elektroden des Halbleiterelements direkt mit den Zuleitungen verbunden werden. Auch können die Zuleitungen eingespart werden, indem die Leiter bis zur Außenseite des Gehäuses reichen. Daher bezieht sich der Begriff "Leiter" in der folgenden Beschreibung auf alle diese Fälle.

In dem obigen Beispiel wurde die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Struktur umgedreht auf die Abdichtplatte 19 gelegt. Wahlweise kann sie auch ohne Umdrehen beibehalten werden, und nachdem ein körniger Lötwerkstoff auf die Rückseite des Halbleiterelements gebracht ist, kann die Abdichtplatte 19 mit der Rückseite des Elements und mit der Seitenplattenwand l6 zur Abdichtung der Öffnung des Gehäuses verbunden werden, während das Lötmittel durch Hitzeeinwirkung geschmolzen wird.

Nach der vorstehenden Beschreibung sollte das Metall mit dem niedrigen Schmelzpunkt niedriger schmelzen als das Elektrodenmetall 14a, 14b, doch ist es keine notwendige Bedingung. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die vorliegende Neuerung ausgeführt werden kann, indem man vorher ein geschmolzenes Metali auf der Abdichtplatte 19 anbringt und dieses geschmolzene Metall in Berührung mit der Rückseite des Elements 11 führt. Auch müssen der Arbeitsgang, bei dem man die Äbüichtplatte 19 unter Zwischenschaltung eines niedrig schmelzenden Metalls in

Berührung mit der Rückflache des Elements 11 bringt, und der Arbeitsgang des Verscnlleßenö der Öffnung des Gehäuses mit der Abdichtplatte 19 nicht unbedingt gleichzeitig vorgenommen werden. Der erstgenannte Arbeitsgang kann vor dem anderen vorgenommen werden. Wenn der erstgenannte Arbeitsgang dem anderen vorausgeht, ist es wünschenswert, die Abdichtplatte 19 und die zylindrische Seltenplattenwand 16 durch eine WlderstandsschwelSmethode zu verbinden. Dabei wird eine als eine Elektrode dienende Metallschicht während der Zeit des Widerstandsschmelzens auf der Seltenplattenwana l6 Im voraus angeordnet.

Obwohl In der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsbelspieie ein niedrig schmelzendes Metall als Element zum thermischen Koppeln der Abdichtplatte 9 bzw. 13 und des Halbleiterelement s 1 bzw. 11 verwendet wurde, eignen sich stattdessen auch Harze, z.B. alterungshärtende Harze, die In Ihrer Wärmeleitfähigkeit durch Zumischen eines erheblichen Anteils von Metallpulver, wie z.B. Silber, Kupfer usw. verbessert sind. Ein solches Harz wird z.B. zwischen der Abdichtplatte 19 und dem Halbleiterelement 11 angeordnet, bevor es aushärtet, und nachdem sie in Berührung gebracht wurden, bringt man das Harz zur Aushärtung.

Wenngleich als Elektrodenmaterial und als Wärmekopplungsmaterial besonders eine Legierung aus Zinnblei ohne weitere Zusätze beschrieben wurde, lassen sich auch andere bekannte Legierungen niedriger Schmelzpunkte (niedriger als die Temperatur, bei der das Element und/oder das Gehäuse beschädigt werden), wie z.B. Zinn-Antimon, Blei-Antimon, Germanium-Aluminium, Gold-Antimon usw. nach entsprechender Auswahl verwenden. Dabei ist es, was die Beziehung zwischen den Schmelzpunkten des Elektrodenmaterials und des thermisch gekoppelten Materials betrifft, vom Gesichtsppunkt der Herstellung wünschenswert, daß der Schmelzpunkt des letzteren niedriger als der des ersteren ist.

Das Metall oder das wärmeleitende Harz als thermisch koppelndes Element muJ3 nur in Berührung mit der Abdichtplatte 19 und dem Halbleiterelement 11 bzw. an diesen haftend angeordnet sein.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Heuerung. Ein Halbleitertcreisbauteil umfaSt ein gehäuse, welches aus einer Bodenplatte 35 und einer Seitenplattenwand 36 besteht, und eins Mehrzahl von Halbleiterelementen JIa und 31b, die darin angeordnet sind. AuT der inneren Oberfläche des Gehäusebodens iSinc Leiter 32a, 32b und 37 sowie Zuführungen 38a und 38b angeon net. Elektroden 33a, 33b, 3&ä und 34b der Halbleiterelemente verbinden diese mit den Leitern. Die öffnung des Gehäuses wird mit einer KetailabdichtpXatte 39 verschlossen. Zwischen der Abdichcplatte und dei Elementen 31ε, 31b ist je ein thermisch koppelndes Element 30a* 30b argebracht, welches aus einem Material besteht, das zur Aufrechterhaltung eines flieSfähigen Zustandes geeignet ist, wenn die Seitenplattenwand 36 und die Abdichtplatte 39 in Berührung gebracht werden, und hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wobei es sich z.B. um einen niedrigschmelzenden Lötwerkstoff oder ein Harz hoher Leitfähigkeit usw. handelt. Der Leiter 37 verbindet die Elemente elektrisch. Nach diesem Ausführungsbeispiel der Neuerung wird das Wärmegleichgewicht zwischen den Elementen yio. und 51b mittels der Elemente 30a, 30b und der Abdichtplatte 39 aufrechterhalten. Unter Umständen können die Elemente 31a und ^Yo mit einem Isolierfilm, wie z.B. SiOg-FiIm, je nach Wahl überzogen sein.

66Ö78272M.71

Claims

Schutzansprüche

1. Halbleiterbauteil, gekennzeichnet durch ein Isoliergehäuse aus einer Bodenplatte und einer Seitenplattenwand (z.B. 5_. 6) mit einer öffnung.

eine Abdichtplatte (z.3. 9) mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Abschluß der Öffnung.,

ein in einem luftdichten, durch das Gehäuse und die Abdichtplatte gebildeten Raum angeordnetes Halbleiterelement (z.3. 1) mit zwei Hauptflächen, an deren einer eine Mehrzahl vor* Metallelektroden (z.B. 4b, 4e, 4e) ausgebildet ist, eine Mehrzahl von aus dem Inneren zwischen der Bodenplatte und d?r Seitenplattenwand zum Äußeren des Gehäuses führenden* mit den Elektroden verbundenen Leitern (z.B. 7, 8) und ein Element (z.B. Lötschicht 10) zum thermischen Koppeln der anderen Hauptfläche mit der Abdichtplatte.

2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (z.B. 5* 6) aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist.

3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch mindestens ein weiteres im Gehäuse (z.B. 35* 36) angeordnetes Halbleiterelement (z.B. 31a) mit zwei Hauptflächen, an deren einer eine Mehrzahl von Metallelektroden (z.B. 34a, 34b) ausgebildet ist,

die Verbindung mindestens einer Elektrode (z.B. 34b) eines Halbleiterelements (z.B. 31a) mit mindestens einer Elektrode (z.B. 33a) wenigstens eines weiteren Halbleiterelements (z.B. 31b) durch einen Leiter (37)

und ein Element (z.B. Lötwerkstoff 30a) zum thermischen Koppeln der anderen Hauptfläche jedes weiteren Halbleiterelements (z.B. 31a) mit der Abdichtplatte (z.B. 39).

^. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder ~y, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Kopplungselement (10 bzw. j50s) aus einem Lötwerkstoff niedrigeren Schmelzpunktes als desjenigen des Elektrodenmetalls oder aus metallpulverhaltigem härtbarem Kunstharz besteht.