SE433021B - Termiskt och elektriskt ledande skyddsbuffert for en halvledaranordning - Google Patents

Description

79025 86-2 Fig. 7 är en sidovy över en press för termokompres- sionsdiffussionsförbindning, vilken kan utnyttjas vid till- verkning av utföringsformerna_enligt figur l eller 2.

Figur 5 och även figur 6 kan avse diskanordningen både före och efter diffusionsförbindningen, som utföres med pres- sen enligt figur 7.

Definitioner Termen strukturerad koppar, se figur 3, avser en bunt raka, trådformade parter 16 av koppar, vilka är inbördes parallella och tätt sammanpackade. Parterna har approximativt sæmna längd, vilken längd överensstämmer med den vertikala utsträckningen i figur 3. I enlighet med föreliggande uppfin- ning ligger parternas längd företrädesvis inom området l-lO mm. De individuella parterna 16 är vanligen men ej nödvändigt- vis utförda med approximativt samma diameter, vilken i enlighet med föreliggande uppfinning är ca 0,25 mm, fastän något mindre eller större diametrar även är användbara. De individuella par- terna 16 är vanligen sammanförda till diskform, se även figur 4, och detta är grunden till termen diskanordning l7 av strukture- rad koppar. Diskens tjocklek, se figur 3, överensstämmer väsent- ligen med längden hos nämnda parter.

Termen dimensionsförhâllande (eng. "aspect ratio"), se figur 3, avser förhållandet mellan längd och diameter för varje individuell part 16. Med exempelvis den ovan nämnda diametern på 0,25 mm framgår det, att man erhåller ett dimensionsför- hållande på 4:1 för en l mm lång part och ett förhållande på 40:l för en 10 mm lång part. Med iakttagande av att parternas diametrar kan vara mindre eller större än 0,25 mm är dimen- sionsförhållandetenligt uppfinningen företrädesvis approxima- tivt l0:l.

Termen skyddsbuffert avser en anordning som utnyttjas i samband med en elektronisk anordning, speciellt men ej nöd- vändigtvis en halvledaranordning, som är termiskt känslig och vilken kräver att värme bortledes från anordningen för att hindra nedbrytning av denna eller för att åtminstone mini- mera de variationer i dess karakteristikor som beror på tem- peraturvariationer, vilka kan ha sin grund i värmealstring av 7902586-2 (l) den elektroniska anordningen själv, (2) närliggande kom- ponenter, eller (3) omgivande temperaturändringar.

Skyddsbufferten har till uppgift att, (1) leda bort värme från den elektroniska anordningen till en värmefälla, vilken kan utgöra en del av bufferten själv eller vara skild från denna, (2) eliminera termiska påkänningar i den elektro- niska anordningen såväl som i skyddsbufferten själv, och van- ligen men ej nödvändigtvis (3) leda elektrisk ström från den elektroniska anordningen1dll värmefällan, varvid denna även tjänstgör som en returpunkt för elektrisk ström, vilket spe- ciellt är fallet då värmefällan utgör eller är elektriskt kopp- lad till den elektriska jordâterledningen för den elektroniska anordningen.

För ytterligare definition av"skyddsbuffert" hänvisas till figur 1, vilken visar en skyddsbuffert 10 av strukturerad koppar i enlighet med en utföringsform av uppfinningen. De trådformade kopparparterna 16 är visade förenade med, dvs elektriskt och mekaniskt förbundna med en övre metallfolie, skiva, block, blad eller skikt l2, som utgör eller är elekt- riskt och mekaniskt anslutbar till värmefällan. De fem just omnämnda termerna för organet 12 är väsentligen synonyma, eftersom det enligt föreliggande uppfinning föredrages att organet 12 har en tjocklek inom området från 0,0l25-0,50 mm och företrädesvis inom området från 0,025 till 0,075 mm. Tjock- leken hos metallskivan 12 kan även vara större än 0,50 mm och även så tjock, att den bildar ett block av metall, förutsatt att denna tjocklek ej är så stor, att den väsentligt ökar den termiska resistansen hos skyddsbufferten 10.

Koppar, guld och andra metaller med passande karakte- ristikor utgör lämpliga material för folien 12 enligt upp- finningen. En skyddsbuffert enligt uppfinningen innefattar en andra metallfolie, skiva, block, blad eller skikt 14, som pà liknande sätt är förbunden med parterna 16 vid dessas mot- satta ändar. Organet 14 är avsett att befinna sig närmare och eventuellt i elektrisk och mekanisk kontakt med den elektro- niska anoraningen och således befinna sig på större avstånd från värmefällan. I den i figur l visade utföringsformen kan 79025 86-2 organdet 14 vara tillverkat av samma material och med samma dimensioner som angivits för organet 12. Vid utföringsformen enligt figur 2 bildas organet 14 av ett nedre skikt l4A och ett övre skikt l4B, vilka är integrerade med halvledaranord- ningen 40, vilket även skyddsbufferten 10 i figur 2 är.

I figur 2 har halvledarànordningen 40 för enkelhets skull representerats i form av en diod med ett första halv- ledande (P eller N) omrâde 42 och ett andra halvledande (N eller P) område 44, varvid området 44 är anbringat vid buffer- ten l0. Emellertid kan även andra halvledaranordningar, såsom transistorer och tyristorer anbringas vid skyddsbuffertar av strukturerad koppar. U En monteringsplatta 50 av tungsten är legerad med dvs anbringad vid ytan hos det första omrâdet 42. Halvledaranord- ningen 40, som exempelvis innefattar kisel, är mycket skör.

Monteringsplattan 50 av tungsten ger halvledaranordningen 40 bättre hållfasthet. Den termiska expansionskoefficienten för tungsten är approximativt densamma som för kisel, så att le- geringen som formas vid gränsytan mellan plattan 50 och anord- ningen 40 ej spricker, då anordningen 40 expanderar och krym- per med temperaturändringar.

Ytan hos området 44 är belagd med en metallisering be- K stående av ett undre metallskikt l4A och ett övre metallskikt l4B. Metallskiktet l4A kan bestå av titan och vara pålagt direkt på ytan av halvledarområdet 44. Metallskiktet l4B kan bestå av koppar eller guld. _ Vid ett exempel av utföringsformen enligt figur 2, här nedan benämnd exempel I, utgöres metalliseringen av det nedre metallskiktet 14A med en tjocklek på ca 200 Å av titan och det övre metallskiktet l4B med en tjocklek på ca 10000 Å av guld. Enligt ett annat exempel, exempel II, av utförings- formen enligt figur 2 består metalliseringen av ett undre skikt 14A av titan och ett mellanliggande skikt av silver och ett övre skikt l4B av guld.

Alternativt kan skyddsbufferten 10 enligt figur l vara 7902586-2 placerad i kontakt med omrâdet 44 av halvledaranordningen 40, så att skyddsbufferten 10 och anordningen 40 anligger mot varandra, vilket ger en annan utföringsform av uppfin- ningen.

Skyddsbuffertar av strukturerad koppar som allmänt sett överensstämmer med någon av ovan angivna definitioner är tidigare kända genom exempelvis de amerikanska patent- skrifterna 2 906 930 och 3 387 191. Dessa tidigare kända lösningar utnyttjar följande teknik vid jämförelse med. figur l och figur 2 av föreliggande ansökan. l) De trädformade parterna 16 är utgrenade vid sina övre ändar för att bilda en trädform. Således sker kontakten eller förbindningen av parterna 16 med värmefällan ej vid de cirkulära tvärsektionsytorna hos parterna utan snarare tan- gentiellt längs dessas ytterytor. Förbindningarna uppnås ge- nom lödning eller svetsning. 2) Vid de nedre ändarna är parterna 16 antingen lödda på ett mjukt lodskikt, vilket självt är fastlött vid halv- ledaranordningen, eller är parternas ändar införda och för- bundna direkt med halvledarmaterialet.

Svets- eller lödförbindningar ger relativt dålig värme- ledning och än värre är, att de inducerar allvarliga ter- miska påkänningar. Den direkta införingen av parternas ändar i halvledarmaterialet har liknande effekt.

Enligt föreliggande uppfinning elimineras dessa svårig- heter genom anordnandet av en diffusionsförbindning mellan parterna 16 och skiktet 12 å ena sidan och skiktet 14 (eller l4B) â andra sidan. Förbindningen erhålles vid de cirkulära tvärsektionerna av parterna 16, varigenom den träd-grenfor- made strukturen undvikes. Med andra ord sker övergången mellan parterna 16 och skikten 12 och 14 (eller l4B) under approximativt rät vinkel.

Tillverkningsproceduren för olika utföringsformer kom- mer nu att beskrivas. Med referens till figur 3 och 4 är par- terna 16 samlade som visas däri. Bästa påkänningsavlastnings- resultat erhålles då kopparparterna utnyttjas med bibehållande 7902586-2 av dessas naturliga oxidbeläggning. Om rengjorda koppar- parter utnyttjas tenderar dessa att fastna samman och be- gränsa den slutliga buffertens påkänningsavlastningsförmåga.

Parterna skall således beläggas med en icke klippande subs- tans, såsom kopparoxid. , Diskanordningen 17 av strukturerad koppar enligt figur 3 och 4 är tillverkad av oberoende, fritt rörliga koppar- parter och utgör en i sig skör anordning. Av denna anledning är diskanordningen 17 försedd med en hållarring 18 för att hålla kopparparterna tillsammans under hantering och behand- ling. Hållarringen kan slutligen avlägsnas, vilket oftast sker. I _ Den vidare tillverkningen kräver bildandet av skiv- och diskanordningen 19 av strukturerad koppar enligt figur 5, för att erhålla den slutliga utföringsformen enligt figur l, eller den enligt figur 6,för att erhålla den slutliga utförings- formen enligt figur 2. Figur 5 innefattar anordnandet av både övre och undre skivor 12 och 14, medan figur 6 endast inne- fattar anordnandet av den övre skivan 12. Båda figurerna 5 och 6 är tillämpliga för sina respektive anordningar, såväl före som efter bindningen. Figur 6 kommer att betraktas först. An- ordningen tillverkas såsom visas' i figur 6 som förberedelse för en bindning med utnyttjande av anordningenenligt figur 7.

~Diffusionsbindningspressen 20 i figur 7 har följande uppbyggnad. En övre metallplatta 22 är anordnad parallellt med en unure metallplatta 24 med ett utrymme däremellan¿ Ett netallpressblock 26 är anordnat vid centrum av den undre sidan av den övre plattan 22 och vänd mot den undre plattan 24. Me- tallbultar 28 och 30 passerar genom respektive hål i den övre plattan 22 och undre plattan 24 och är gängade i den undre plattan 24 för att sammanbinda de båda plattorna.

Metallbultarna 28 och 20 består av stål, dock ej rostfritt stål, medan den övre plattan 22, den undre plattan 24 och metallpressblocket 26 består av rostfritt stål. För uppnående av termokompressionsdiffusionsbindning mellan disken 17 av strukturerad koppar och metallfolien l2 för bil- 79025 86-2 7 dande av skyddsbufferten 10 är det nödvändigt att anordna metallfolien 12 parallellt med och i kontakt med disken 17, såsom visas i figur 6. Denna folie-diskanordning 19 placeras sedan mellan metallpressblocket 26 och den undre plattan 24 i pressen 20, såsom visas i figur 7. En konventionell press utnyttjas för att pressa den övre plattan 22 och den undre plattan 24 mot varandra och under det att presskraften verkar på dessa plattor åtdrages bultarna 28 och 30.

Termokompressionsdiffusionsbindningen mellan disken 17 av strukturerad koppar och metallfolien 12 erhålles då pressen 20 innehållande folie-diskanordningen 19 placeras i en inärt atmosfär och uppvärmes till ca 350OC under appro- ximativt l5 min. till 5 timmar. Då pressen 20 uppvärmes på detta sätt expanderar den övre plattan 22, den undre plattan 24 och metallpressblocket 26 i större utsträckning än me- tallbultarna 28 och 30. Således utövas en kraft mellan press- blocket 26 och den undre plattan 24, vilket resulterar i sam- manpressning av disken 17 av strukturerad koppar och metall- folien 12 och sammanbindning av dessa. Folie-diskanordningen 19 avlägsnas sedan från diffusionsbindningspressen 20. Hâllarringen 18 och varje lös part av strukturerad koppar utanför området för diffusionsbindningen avlägsnas även från anordningen 19.

Den kvarstående strukturen som erhållits utgör skyddsbufferten av strukturerad koppar. I För erhållande av den i figur 1 visade skyddsbufferten formas skiv-diskanordningen 19 enligt figur 5 genom att anordna metallskivor 12 och 14 på motstående sidor av disken 17 av strukturerad koppar enligt figur 3.

Anordningen 19 enligt figur 5 placeras sedan i pressen 20 och behandlas enligt ovan. Skyddsbufferten 10 med en metall- skiva på vardera sida, såsom visas i figur 1, erhålles därvid som slutprodukt.

Med hänvisning till den kompletterade anordningen 19 enligt figur 6, bortsett från hâllarringen 18, som är ekviva- lent med skyddsbufferten 10 enligt figur 2, kommer nu beskriv- ningen av tillverkningen av den sammansatta halvledaranordningen 7902586-2 40 enligt figur 2 att beskrivas. Skyddsbufferten 10 bringas anligga mot den metalliserade ytan hos elektroden 44 för bildande av anordningen 40. En termokompressionsdiffusions- bindning utföres mellan den metalliserade övre ytan av området 44 och skyddsbufferten 10 genom att anordna anordningen 40 mellan plattan 24 och pressblocket 26 i pressen 20, som visas i figur 7, och genomförande av den tidigare beskrivna proce- duren för åstadkommande av en diffusionsbindning. Med hänvis- ning till det ovan nämnda exemplet I sker metalliseringen på det sätt som beskrivits i samband med nämnda exempel I. Metal- liseringen anordnas på ytan av området 44, till vilket skydds- bufferten 10 är bunden. Förbindningen utföres vid en tempera- tur på approximativt 3250 i kväveatmosfär.

Beträffande utföringsformen enligt figur 2 ges följande sammanfattande kommentarer. Då arbetstemperaturen för hahdedaan- ordningen 40 ökar, är de individuella parterna i bufferten l0 av strukturerad koppar fria att röra sig i planet för koppar- disken, då anordningen 40 expanderar. Bufferten 10 utgör så- ledes ett organ för anbringning vid ett halvledarområde, vil- ket ej åstadkommer en termiskt inducerad påkänning vid platsen för anbringningen. Bufferten 10 ger en god elektrisk förbind- ning med området 44 samtidigt som den ger en god värmebortled- ning från anordningen, vilken värme alstras i området 44.

Ovan har en skyddsbuffert av strukturerad koppar beski- vits utnyttjande raka parter av koppar anordnade i form av en disk och anbringade vid ett metallskikt genom termokompres- sionsdiffusionsbindning. Bufferten uppvisar väsentligen struk- turell integritet medan den alltjämt medger individuell för- skjutning av de separata parterna i den strukturerade kopparn i planet för disken, så att bufferten ger en väsentlig pâkän- ningsavlastningsmöjlighet tillsammans med hög termisk lednings- förmåga.

Claims (13)

79025 86-2 Patentkrav

1. l. Termiskt och elektriskt ledande skyddsbuffert för en halvledaranordning, innefattande en bunt raka, tätt packade parter (16) av koppar, var och en av vilka parter har väsentligen samma längd och är försedd med en icke klibbande beläggning med undantag av parternas ändar, vilka parter är anordnade väsent- ligen parallellt med varandra, k ä n n e t e c k n a d av (12, 14; 14A, l4B), vart och ett innefattande en relativt plan yta, som är förenad med ett första och ett andra metallorgan en tillhörande uppsättning gemensamma ändar av nämnda koppar- parter (16), vilket andra metallorgan (l4; 14A, l4B) är inrät- tat att förbindas med en halvledaranordning (40), så att nämnda buffert kan leda bort värme effektivt från nämnda an- ordning utan att orsaka termiskt betingade påkänningar vid gränsytan mellan det andra metallorganet och nämnda anord- ning, och varvid var och en av nämnda uppsättningar gemensam- ma ändar är diffusionsbundna med respektive metallorgan (12, 14 14A, l4B).

2. Buffert enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av' att varje uppsättning gemensamma ändar av nämnda parter (16) I är diffusionsbundna med respektive metallorgan (12, 14; 14A l4B) vid respektive ändars tvärsektionsytör. I I

3. Buffert enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att parterna (16) vid båda uppsättningar gemensamma ändar bildar en vinkel med respektive metallorgan (12, 14; 14A, l4B) som är väsentligen rät.

4. n a d av att nämnda parter (16) har en längd inom området 1-10 mm.

5. Buffert enligt något av krav l-4, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda parter (16) har en diameter av storleks- Buffert enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k - ordningen 0,25 mm. 79025 86-2 - 10.

6. Buffert enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att för varje part (16) ärlängd-dmmeterförhållandet approximativt 10:1.

7. Buffert enligt något av krav 1-6, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda första metallorgan (12) utgöres av koppar eller guld.

8. Buffert enligt krav 7, k ä n n e t e c k.n a d av att nämnda första metallorgan (12) har en tjocklek inom om- râdet 0,0125-0,50 mm.

9. Buffert enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda första metallorgan (12) har en tjocklek inom om- rådet 0,025-0,075 mm.

10. Buffert enligt något av krav 7-9, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda andra metallorgan (14) består av kop- par eller guld. _ 7

11. _ Buffert enligt krav 10, då detta hänvisar till krav 8 eller 9, k ä n n e t e c'k n a d av att nämnda andra metallorgan (14) har en tjocklek inom området 0,0125- 0,50 mm, företrädesvis inom 0,025-0,075 mm.

12. Buffert enligt något av krav 7-9, k ä n n e t e c k- n a d av att det andra metallorganet (14A-14B) består av titan-guld, titan-silver-guld eller titan-koppar, varvid diffusionen av respektive gemensamma ändar av parterna (16) sker i nämnda guld eller koppar.

13. Buffert enligt något av krav 1-12, k ä n n e t e c k- n a d av att den yta av det andra metallorganet (14; 14A) som befinner sig på störst avstånd från tillhörande uppsättning gemensamma ändar av parterna (16) är diffu- sionsbunden till ett halvledaromrâde (44) hos halvledar- anordningen (40).