Lötverbindung für Halbleiterelemente Die Erfindung betrifft eine Lötverbindung für Halbleiterelemente, bei welchen mindestens eine Elektrodenplatte grossflächig auf einem Metallkörper liegt und mit diesem durch eine Weichlotschicht ver bunden ist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffi zient der Elektrodenplatte verschieden von dem jenigen des Metallkörpers ist.
Die hohen Leistungsdichten, die insbesondere die Halbleitergleichrichter auf dem Starkstromgebiet auf weisen, verlangen die Abführung der im Halbleiter element entstehenden Verlustwärme durch geeignete Kühlvorrichtungen. Um einen guten Wärmekontakt des aktiven Halbleiterelementes eines Gleichrichters, eines steuerbaren Gleichrichters, eines Transsistors oder dergleichen zu erreichen, ist das Element mit einem massiven metallischen, meist aus Kupfer bestehenden Körper, beispielsweise dem Gehäuse boden, und mit einer Stromzuführung verlötet.
Bei Halbleiterelementen, die für hohe Leistungen be stimmt sind, wird das Gehäuse ausserdem in einen Kühlkörper eingeschraubt oder eingepresst.
Damit sich die infolge der unterschiedlichen ther mischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallkörpers bzw. der Stromzuführung (beispielsweise Kupfer) und des Halbleiterkörpers (beispielsweise Silizium) auf tretenden mechanischen Kräfte nicht auf den Halb leiterkörper übertragen und ,seine Zerstörung be wirken können, ist der Halbleiterkörper durch ein geeignetes Lot mit Elektrodenplatten verbunden,
die aus einem Material mit mindestens angenähert glei chem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der jenige des Halbleiterkörpers bestehen. Für einen Sili- ziumkörper hat sich die Verwendung vonMolybdän oder Wolfram als günstig erwiesen.
Die Verbindung der Elektrodenplatte mit dem Metallkörper bzw. mit der Stromzuführung erfolgt bekanntlich mit Hilfe eines Weichlotes auf Blei-_oder Zinnbasis, welches die infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehenden Kräfte auf nimmt. Derartige Lotverbindungen zwischen Elek- trodenplatte und Metallkörper sind einwandfrei, so lange die Lötfläche klein ist.
Bei grösseren Lötflächen von beispielsweise mehr als 100 mm2 zeigen sich bei wechselnder thermischer Belastung des Halbleiter elementes in der Lötverbindung Ermüdungserschei nungen, welche auf plastischer Verformung des Weichlotes beruhen und nach verhältnismässig wenig zahlreichen Lastwechseln zur Auftrennung der Löt verbindung und zur Zerstörung der Halbleiteranord nung führen.
Zur Beseitigung des genannten Nachteiles und zur Erhöhung der Festigkeit der Lötverbindung ist es bekannt, den Metallkörper mit einer weich ange löteten Auflage zu versehen, mit der die Elektroden platte des Halbleiterelementes ebenfalls durch Weich lötung verbunden wird und deren thermischer Aus dehnungskoeffizient zwischen denjenigen des Metall körpers und der Elektrodenplatte liegt.
Es ist weiter bekannt, den Metallkörper mit einer hart angelöteten Auflage zu versehen, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Elektrodenplatte aufweist, und dann die Elek- trodenplatte mit der Auflage durch Weichlötung zu verbinden.
Es ist auch bekannt; die an die Lotschicht an grenzende Fläche des Metallkörpers durch Schlitze in einer Vielzahl kleinerer Flächen zu unterteilen, wodurch die entstehenden Kräfte durch Verformung des unterteilten Körpers aufgenommen werden.
Schliesslich ist es bekannt, Elektrodenplatte und Metallkörper durch eine Hartlotschicht zu verbinden, welche durch die- entstehenden inneren Spannungen nicht dauernd verformt wird. Die Nachteile einer Hartlotschicht liegen einmal darin, dass die Dicke der Elektrodenplatte wesentlich erhöht werden muss, damit die entstehenden Kräfte von dieser aufgenom men und nicht auf das Halbleiterelement übertragen werden. Dadurch verschlechtert sich aber der Wärme übergang vom Halbleiterelement auf den der Wärme abfuhr dienenden Metallkörper.
Zudem muss die Hartlotung beispielsweise mit Silberlot bei wesent lich höheren Temperaturen vorgenommen werden, so dass die Gefahr besteht, dass Kupfer aus dem Metallkörper in den Halbleiter diffundiert und seine Spannungsfestigkeit herabsetzt.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Löt verbindung für Halbleiterelemente aufgezeigt, bei welcher innere Spannungen in der die Elektroden platte und den Metallkörper verbindenden Weich lotschicht bei Temperaturwechsel stark herabgesetzt sind.
Die Lötverbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Weichlotschicht zwischen dem Metall körper und der Elektrodenplatte eine einlagige Schicht sich gegenseitig berührender Metallkugeln eingebettet ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffi- zient zwischen denjenigen der Elektrodenplatte und des Metallkörpers liegt.
Anhand der einzigen Zeichnung soll die Erfin dung am Beispiel eines Halbleitergleichrichters näher erläutert werden.
In der Zeichnung ist ein Halbleitergleichrichter gezeigt, bei welchem die Elektrodenplatten des Halb leiterelementes mit dem Gehäuse und mit der Strom zuführung durch Lötverbindungen gemäss der Erfin dung verbunden sind. Der Gleichrichter ist im Zu stand vor dem endgültigen Zusammenbau dargestellt, das heisst vor dem Anlöten des Halbleiterelementes an das Gehäuse und an die Stromzuführung, und vor dem Verschliessen des Gehäuses. Sinngemäss kann die gleiche Lötverbindung auch bei anderen Halb leiteranordnungen wie Leistungstransistoren verwen det werden.
Mit 1 ist der metallische, aus Kupfer bestehende Körper bezeichnet, der den Boden des Gehäuses bildet, zur Gewährleistung genügender Wärmeabfuhr grosse Wandstärken aufweist und zur Befestigung des Gleichrichters in einem Kühlkörper mit einem Gewindebolzen versehen ist, welcher gleichzeitig den einen Anschluss des Gleichrichters bildet.
Mit 2 ist der den zweiten Anschluss bildende Bolzen bezeich net, der zweckmässig ebenfalls aus Kupfer besteht und in dessen zentraler Bohrung ein Rohr 3 als Pumpstengel angebracht ist. In der Verlängerung des Anschlussbolzens befindet sich die Kupferlitze 4, de ren freies Ende durch die Kupferkappe 5 gefasst ist. Anschlussbolzen und Gehäuseboden sind durch eine Kovar -Hartglasverschmelzung 6 miteinander me chanisch verbunden.
Mit 7 ist das aus einer legierten Siliziumscheibe bestehende aktive Halbleiterelement bezeichnet, an welches beidseitig Molybdänscheiben 8 und 9 als Elektrodenplatten angelötet sind. Die Ab messungen des Halbleiterelementes und der Elektro- denplatten sind hierbei nicht massstäblich eingezeich net.
Die an die Elektrodenplatte angrenzende Fläche des Gehäusebodens 1 ist mit einer einlagigen Schicht 10 sich gegenseitig berührender Metallkugeln be deckt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zwi schen denjenigen der Elektrodenplatte 8 aus Molyb- dän und des Gehäusebodens 1 aus Kupfer liegt. Diese Kugelschicht ist mit dem Gehäuseboden und der Elektrodenplatte weich verlötet.
In gleicher Weise ist auch die an die Elektroden platte 9 angrenzende Fläche der Kupferkappe 5 der flexiblen Stromzuführung 4 mit einer einlagigen Schicht 11 sich berührender Metallkugeln bedeckt, wobei diese Kugelschicht 11 mit der Kupferkappe 5 ebenfalls weich verlötet ist.
Zum Zusammenbau wer den der Anschlussbolzen 2 und der Gehäuseboden 1 zusammengesteckt und auf etwa 200 C erwärmt, wodurch auch die Kugelschicht 11 mit der Elektro- denplatte 9 durch eine Weichlotschicht verbunden wird. Anschliessend wird das Gehäuse gasdicht hart verlötet und durch den Pumpenstengel 3 evakuiert bzw. mit Schutzgas gefüllt.
Durch die Bedeckung der Metallkörper, im vor liegenden Beispiel des Gehäusebodens und der Strom zuführung, mit einer einlagigen Schicht sich berüh render Metallkugeln, die mit den Metallkörpern und den Elektrodenplatten durch Weichlot verbunden sind, wird erreicht, dass in den Lotschichten an den Bauteilgrenzen bei Temperaturwechseln keine grossen mechanischen Spannungen infolge Ausdehnungsdif ferenzen auftreten können.
Bei der direkten Ver- lötung des Gehäusebodens mit der Elektrodenplatte entsteht eine dünne und flache Lotschicht, in welcher Schubspannungen sich nur in der Ebene der Lot fläche auswirken, was bei grossen Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu ver lötenden Teile zum Bruch der Lötverbindung führt. In der beschriebenen Anordnung werden die me chanischen Spannungen verteilt und aufgefangen.
Beim Zusammenlöten des Gehäusebodens, der Ku gelschicht und der Elektrodenplatte füllen sich die Räume zwischen den Kugeln dank den Kapillar- kräften mit dem flüssigen Weichlot. Im Raum zwi schen drei oder vier sich berührenden Kugeln liegen deshalb zwei mit den Spitzen gegeneinanderliegende Pyramiden aus Weichlot mit drei oder vier konkaven Seitenflächen.
Hierbei sind die mit dem Gehäuse boden und der Elektrodenplatte in Berührung ste henden Flächen, nämlich die Gesamtzahl aller Pyra- midengrundflächen, nur in geringem durch die Kugel auflagepunkte vermindert. Da die gesamthaft belötete Oberfläche aber um ein Vielfaches grösser als bei der direkten Verlötung ist,
sind die infolge unter schiedlicher Ausdehnung des Gehäusebodens und der Elektrodenplatte auftretenden Spannungskräfte nicht mehr nur in der zu den Flächen des Gehäusebodens und der Elektrodenplatte parallelen Ebene wirksam, sondern auch in der Richtung senkrecht zu der ge nannten Ebene, das heisst in axialer Richtung. In dieser Richtung wirken sich aber bekanntlich die Spannungskräfte weit weniger gefährlich aus.
Dazu kommt, dass sich bei der gegebenen geome trischen Form der Kugeln die fast geschlossene Be rührungsebene des Kugelmaterials, dessen Ausdeh nungskoeffizient zwischen denjenigen des Gehäuse bodens und der Elektrodenplatte liegt, in jedem Fall genau zwischen die Grenzflächen des Gehäuseboden materials und des Elektrodenplattenmaterials, also beispielsweise zwischen Kupfer und Molybdän ein stellt.
Vorteilhaft bezüglich der Spannungsverteilung ist hierbei auch, dass das Volumen des Kugelmaterials in axialer Richtung von der Mitte des Lötspaltes aus beidseitig gleichmässig abnimmt.
Schliesslich besteht ein weiterer Vorteil der viel fachen Unterteilung des Lotspaltes durch die Kugel schicht darin, dass keine scharfen Kanten und Spitzen vorhanden sind, die Ursache von Ansätzen zu Rissen bilden könnten, sondern dass die Lotunterteilungs- fläcl:en optimal günstig und gleichmässig sind.
Als Material für die Metallkugeln mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den jenigen der zu verlötenden Elektrodenplatte und des Metallkörpers eignen sich beispielsweise Platin und Palladium sowie Legierungen dieser Metalle, ferner Chrom und Gold. Es können aber auch die gleichen Metalle wie diejenigen der Elektrodenplatte oder des Metallkörpers verwendet werden, also beispielsweise Molybdän oder Wolfram bzw. Kupfer. Es hat sich als zweckmässig erwiesen, Metallkugeln mit einem zwischen 0,5 und 2 mm liegenden Durchmesser zu verwenden.
Das Bedecken der Metallkörper mit einer ein- lagigen Schicht sich berührender Metallkugeln kann auf verschiedene Arten geschehen. In jedem Fall ist es vorteilhaft, die Metallkugeln in der Form eines einlagigen Gitters mechanisch festzuhalten und mit dem Metallkörper und der Elektrodenplatte weich zu verlöten.
Ein Verfahren besteht darin, den Metallkörper, also im Beispiel des beschriebenen Halbleitergleich richters den Gehäuseboden 1 bzw. die Kupferkappe 5 derart einzudrehen, dass eine bestimmte Anzahl Kugeln eng aneinanderliegend spielfrei gefasst sind und anschliessend unter sich, mit dem Metallkörper und mit der Elektrodenplatte weich verlötet wer den, beispielsweise durch Einbringen einer dünnen Scheibe eines Weichlotes auf Blei- oder Zinnbasis und Erwärmen.
In einem anderen Verfahren werden die Metall kugeln in einer Lehre gefasst und unter sich zu einem einlagigen gerichteten Kugelgitter von be stimmter Form und Flächengrösse mechanisch fest verbunden. Das Gitter wird hierauf auf den Metall körper gebracht und mit diesem und der Elektroden- platte weich verlötet.
In der Lehre können die Metallkugeln beispiels weise mechanisch fest verbunden werden, indem sie in ihren gegenseitigen Berührungspunkten mit einem Lot verlötet werden; dessen Schmelzpunkt höher als derjenige des Lotes zur Verlötung des Kugelgitters mit dem Metallkörper und der Elektrodenplatte ist, so dass sich beim anschliessenden Verlöten des Kugel gitters mit dem Metallkörper und der Elektroden platte der Kugelverband nicht löst.
Statt dessen kön nen die in einer Lehre gefassten -Kugeln auch durch Punktschweissen oder Sintern in den gegenseitigen Berührungspunkten mechanisch fest verbunden wer den. Ferner können die in einer Lehre gefassten Kugeln durch Bedampfen oder auf galvanischem Wege mit einer dünnen Metallhaut überzogen und anschliessend im Ofen in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum zu einem festen Gitter verbunden werden.
Die Erfindung wurde am Beispiel eines Halb- leitergleichrichters erläutert. Sie ist jedoch auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art, wie Leistungs transistoren und mehrschichtigen Dioden anwendbar.