CH619073A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Gegen thermische Wechselbeanspruchungen beständiges Halbleiterbauelement, bei dem eine wenigstens einen pn-Über-gang aufweisende und mit lötfähigen Kontaktüberzügen versehene Scheibe aus Halbleitermaterial mittels eines Weichlotes 5 unmittelbar flächenhaft mit Stromleitungsanschlüssen fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Weichlote Zinnlote mit 3 bis 8% Antimon, o,l bis 2% Nickel, Rest Zinn, oder mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, oder mit 1 bis 6% Silber, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest 10 Zinn, Cadmiumlote mit 10 bis 25% Zink, 1 bis 5% Silber, Rest Cadmium, oder mit 10 bis 25% Zink, 5% Silber, 3% Kupfer, Rest Cadmium, Zinklote mit 10 bis 25% Cadmium, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Zink, und Bleilote mit 10 bis 20% Cadmium, 0,3 bis 5% Antimon, Rest Blei, oder mit 1 bis 5% Silber, 0,5 bis 2% Zinn, 0,1 15 bis 2% Nickel, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Blei vorgesehen sind.

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Die Erfindung betrifft ein gegen thermische Wechselbeanspruchungen beständiges Halbleiterbauelement, bei dem eine wenigstens einen pn-Übergang aufweisende und mit lötfähigen Kontaktüberzügen versehene Scheibe aus Halbleitermaterial 25 mittels eines Weichlotes unmittelbar flächenhaft mit Stromleitungsanschlüssen fest verbunden ist. Es sind Halbleiterbauelemente wie Gleichrichterelemente oder Transistoren bekannt, bei denen die in einem Diffusionsverfahren vorbehandelte Halbleitertablette beidseitig mit Nickelüberzügen und mit 30 wenigstens einer weiteren, das Weichlöten begünstigenden Metallschicht versehen und über diese Kontaktüberzüge durch Weichlöten mit vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Gehäuseteilen und/oder Anschlussleiterteilen kontaktiert und in einem Gehäuse angeordnet ist. Als Weichlote sind beispiels- 35 weise solche auf der Basis von Zinn oder Blei mit Zusätzen von Silber, Indium, Wismut oder Antimon vorgesehen, z. B. aus etwa 96% Zinn, etwa 4% Silber und geringen Anteilen an Wismut oder Antimon oder aus 92,5% Blei, Rest Zinn und Silber oder aus 99% Blei und 1 % Zinn. Halbleiterbauelemente für mitt- 40 lere und hohe Strombelastbarkeit mit Kontaktschichten aus solchen Loten genügen jedoch, wie Untersuchungen gezeigt haben, im technischen Einsatz einer Belastung mit häufigem Betriebstemperaturwechsel nicht, da durch diese extreme Beanspruchung nach einiger Zeit eine Ermüdung der Weichlot- 45 kontaktschichten eintritt, die zur Ablösung der Abschlussleiterteile und zum Ausfall des Bauelementes führt.

Die Schwierigkeiten, die bei einem derartigen Einsatz der genannten, mit solchen Weichlotkontakten versehenen Bauelemente auftreten, entstehen dadurch, dass die Weichlote in 50 den Werten wesentlicher physikalischer Eigenschaften, insbesondere der Wärmedehnzahl, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der Streckgrenze und der Zugfestigkeit, erheblich von den entsprechenden Werten der Materialien der angrenzenden Bauteile abweichen. 55

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten sind verschiedene Lösungsvorschläge bekanntgeworden. Es ist Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen bekannt, bei welchen auf den zur Verbindung mit der Halbleitertablette vorgesehenen Kontaktflächen der metallischen Kontaktbauteile wenigstens eine &o Scheibe aus hochschmelzendem Metall, vorzugsweise aus Wolfram oder Molybdän, hart aufgelötet und die Halbleitertablette mittels Weichlot zwischen diesen Metallscheiben befestigt ist, so dass die Weichlotschichten zwischen Materialien angenähert gleicher Wärmedehnzahl liegen. 65

Bei anderen bekannten Ausführungsformen bestehen solche Metallscheiben aus Schichten unterschiedlichen Materials, und zwar zur Halbleitertablette hin aus Wolfram oder

Molybdän und zum Anschlussleiter hin aus Kupfer oder Silber, so dass jeweils die Wärmedehnzahlen aneinandergrenzender Materialien angenähert übereinstimmen. Diese Metallscheiben sind mittels Weichlot sowohl mit der Halbleitertablette als auch mit den Anschlussleiterteilen fest verbunden.

Derartige bekannte Anordnungen zeigen zwar eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit als Aufbauten ohne die genannten Metallscheiben. Sie weisen andererseits jedoch die wesentlichen Nachteile sowohl eines höheren elektrischen und thermischen Widerstandes aufgrund der im Vergleich zu den Weichlotschichten beträchtlichen Dicke der Metallscheiben als auch eines erheblichen Aufwandes an Material und Verfahrensschritten auf. Ausserdem sind die in diesem Zusammenhang bekanntgewordenen, aus mehreren Metallen bestehenden Sinterscheiben in ihrer Herstellung teuer und müssen zur weiteren Verarbeitung geeignet vorbehandelt werden.

Weiterhin sind Halbleiterbauelemente mit Hartlotkontakten zwischen Halbleitertablette, Metallscheibe und/oder Anschlussleiter bekannt. Bei einem derartigen Aufbau ist zwar die gewünschte Temperaturwechselbeständigkeit gegeben, jedoch werden häufig bei den erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen des Hartlötprozesses durch unerwünschte Reaktion der vorgesehenen Metalle mit dem Halbleitermaterial dessen Eigenschaften erheblich verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Weichlote zu ermitteln, die zur unmittelbaren Verbindung von Halbleitertabletten mit Stromleitungsanschlüssen bei für einen Einsatz unter T emperaturwechselbelastung vorgesehenen Halbleiterbauelementen geeignet sind.

Untersuchungen haben ergeben, dass zur Lösung dieser Aufgabe überraschend und vorteilhaft als Weichlote an sich bekannte Legierungen aus Zink und Cadmium, jedoch mit einem jeweiligen Zusatz von Kupfer und/oder Silber und ferner an sich bekannte Legierungen aus Blei, Silber und Zinn, jedoch mit einem Zusatz von Kupfer und Nickel verwendbar sind, und dass weiterhin überraschend auch an sich bekannte Weichlote aus Zinn, Nickel und Antimon, aus Zinn, Antimon, Kupfer und Cadmium, aus Zinn, Silber und Cadmium und aus Blei, Cadmium und Antimon, jedoch mit teilweise wesentlich erweitertem Bereich des Anteiles der in geringer Menge in den bekannten Loten enthaltenen Legierungskomponenten als geeignet erscheinen.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei Halbleiterbauelementen der eingangs erwähnten Art darin, dass Zinnlote mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 2% Nickel, Rest Zinn, oder mit 3 bis 8% Antimon, 0,1 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, oder mit 1 bis 6% Silber, 0,1 bis 2% Cadmium, Rest Zinn, Cadmiumlote mit 10 bis 25% Zink, 1 bis 5% Silber, Rest Cadmium,

oder mit 10 bis 25% Zink, 5% Silber, 3% Kupfer, Rest Cadmium, Zinklote mit 10 bis 25% Cadmium, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Zink, uund Bleilote mit 10 bis 20% Cadmium, 0,3 bis 5% Antimon,

Rest Blei, oder mit 1 bis 5% Silber, 0,5 bis 2% Zinn, 0,1 bis 2% Nickel, 0,1 bis 3% Kupfer, Rest Blei vorgesehen sind.

Es'sind Halbleiteranordnungen mit hoher Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchungen bekannt, bei denen Halbleiterscheiben mittels Weichlot unmittelbar mit Leitungsanschlüssen flächenhaft leitend verbunden sind. Dabei werden Weichlote auf Blei- oder Zinnbasis verwendet mit jeweils geringem Anteil an Silber, Kupfer oder Antimon. Die Temperaturwechselbeständigkeit soll jedoch dadurch erzielt werden, dass dem Weichlot bis zu 50% eines hochschmelzenden Metalls in Pulverform beigemengt sind, welches sich bei der erforderlichen Löttemperatur für das Weichlot in diesem nur unvollständig oder überhaupt nicht löst. Dem Weichlot selbst kommt somit die besondere Eigenschaft der Temperaturwechselbeständigkeit nicht zu, und die durch den Zusatz von Metallpulver gegebene beträchtliche Oberflächenvergrösse-rung des Lötmaterials bringt eine nachteilige Erhöhung der

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thermischen Übergangswiderstände der Weichlotschicht mit sich.

Weiter sind eutektische Gold- / Zinnlote bekannt, die als niedrig schmelzende Lote zwar die gewünschte Temperaturwechselfestigkeit aufweisen, aber aufgrund des hohen Goldgehaltes einen unerwünschten Kostenfaktor beim Aufbau von Halbleiterbauelementen darstellen.

Die erfindungsgemässen Lote zeigen gute Benetzung und Ausbreitung auf den zur gegenseitigen Verbindung durch Weichlöten vorgesehenen und bedarfsweise entsprechend vorbehandelten Flächen der in Betracht kommenden Bauteile. Untersuchungen haben ergeben, dass ein aus der Weichlöttechnik bekannter, unerwünschter Einfluss der Legierungskomponenten Zink und Cadmium auf das Fliessvermögen und die Haftfestigkeit bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Loten gemäss der Erfindung nicht feststellbar ist und sich somit nicht nachteilig auf den Aufbau und das Betriebsverhalten auswirkt.

Eine Erklärung für die vorteilhaften Werte der Kriechfestigkeit, der Elastizitätskonstanten und der Zugfestigkeit wird in der Verspannung des Kristallgitters durch Einbau von Atomen unterschiedlicher Grösse gesehen, wie er bei einem Legierungszusatz von bestimmten Metallen insbesondere zu den Basismetallen Blei und Zinn erfolgt.

Der Einsatz der erfindungsgemässen Weichlote, d. h. ihre

Anwendung zur Verbindung von Bauteilen, wird durch die Eigenschaften der letzteren bestimmt. So werden beispielsweise Lote mit höherer elektrischer Leitfähigkeit, d. h. bevorzugt Weichlote mit Zink und Cadmium als Legierungskompo-5 nenten, an Stellen höherer Stromdichte verwendet. '

Die Lote können in Form von Folien und/oder Lötronden vorliegen. Ihre Dicke ist dadurch bestimmt, dass die damit erzielten Kontaktschichten eine Dicke von wenigstens 20 |im aufweisen sollen.

i o Der Kontaktierungsprozess kann z. B. in der Weise erfolgen, dass die jeweiligen Bauteile unter jeweiliger Zwischenlage einer Lötronde gestapelt und anschliessend in einem Durchlaufofen gegenseitig verlötet werden.

15 Die Vorteile der Weichlote gemäss der Erfindung bestehen darin, dass aneinandergrenzende Bauteile aus Materialien mit unterschiedlicher Wärmedehnzahl bei Halbleiterbauelementen für mittlere und höhere Strombelastbarkeit in der bei der Verwendung von Weichloten bekannten, verfahrenstechnisch ein-20 fachen Weise verbunden werden können, so dass in vielen Fällen aufwendige Hartlotverbindungen entfallen, und dass weiterhin Kontaktscheiben aus hochschmelzendem Material eingespart werden, wodurch besonders wirtschaftliche Bauformen von Halbleiterbauelementen für extreme Belastbarkeit 25 gegeben sind.

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