DE2807601A1

DE2807601A1 - Loetverbindung zwischen einem elektrischen bauteil, insbesondere halbleiterelement, und einer zuleitung

Info

Publication number: DE2807601A1
Application number: DE2807601A
Authority: DE
Inventors: Shinzo Anazawa; Hideaki Kozu
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1978-08-31
Also published as: US4340901A; FR2382100A1; FR2382100B1; JPS53118464U; JPS5756527Y2

Description

GLAWE, DELFS, MOLL ά PARTNER

Nippon Electric Company Ltd. 53-1, b'hiba Gochome, Hinato-ku, ¹I¹ ο k y ο 10ü/ JAPAIi

Lötverbindung· zwischen einem elektrischen Bauteil, insbesondere Halbleiterelement, und einer Zuleitung

PATENTANWÄLTE

DH.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-ING. KWUS DELFS. HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DH. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

8000 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 UEBHERRSTR. 20 TEL. (CS9) 22 65 48 TELEX 52 25 05

MÜNCHEN

A 05

2000 HAMBURG POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE TEL. (040)41020 TELEX 21 29

Beschreibung

Die Erfindung- betrifft eine Lötverbindung zvrischen einem elektrischen Bauteil, insbesondere einem Halbleiterelement, und einer daran anzuschließenden äußeren Zuleitung,

Als äußere Zuleitungen dienende Metallteile wie Drähte, Streifen od.dgl. müssen häufig· an ein Bauteil oder einen Träger für eine elektronische Schaltung mit einem sehr kompakt angeordneten Leitungsniuster, oder an ein Substrat oder einen keramischen Körper eines Ultrahochfrequenz-Bauteils angelötet werden. Bei derartigen Lötverbindungen ergeben sich erhebliche Sinschränkungen hinsichtlich der

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mglichen geometrischen Anordnungen im Iiinblick auf die geforderten elektrischen Eigenschaften. Insbesondere können parasitische Iteaktanzkomponenten wie z.ß. eine Streukapazität, eine parasitische Induktanz od.dgl., die Eigenschaften eines Substrats oder eines zusammengesetzten Bauteils für nochfrequenzanordnungen erheblich beeinträchtigen. Derartige Substrate oder Bauteile werden deshalb möglichst klein ausgebildet, um die parasitische Reaktanz möglichst zu verringern. Infolgedessen ist die für das Anlöten einer Zuleitung verfügbare Fläche außerordentlich klein. Lei bisher bekannten Anordnungen, z.B. nach US-PS 3 946 425 erfolgt die Lötverbindung zwischen einer Zuleitung und einem Substrat oder Bauteil derart, daß die Zuleitung in einer Ebene liegt, die parallel zu der metallisierten Lötfläche des keramischen Substrats od.dgl. liegt.

Bei derartigen bekannten Anordnungen hat jedoch die Lötverbindung eine sehr geringe Festigkeit gegenüber Kräften, die an dem Zuleitungsdraht in Richtung senkrecht zur Lötfläche angreifen und diesen von der Lötfläche nach oben abzuziehen und wegzubiegen suchen. Die Bieg- oder Bruchfestigkeit der Lötverbindung gegenüber solchen Kräften wird im folgenden als "AbziehfeBtigkeit" bezeichnet. Bei der Handhabung von Halbleiterelementen mit äußeren Zuleitungen können derartige, in Abzieh- oder Aufbiegerichtung wirkende äußere Kräfte sehr leicht auftreten, und es ist deshalb erwünscht, daß die Lötverbindungen der Zuleitungen eine möglichst hohe "Abziehfestigkeit" aufweisen, im Interesse einer größeren Zuverlässigkeit und besseren

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hanipulierbarkeit der iialbleiterelemente. Vor allem bei solchen Elementen, bei denen auf der Oberfläche eines Substrats mit geringer mechanischer Festigkeit, wie 3.1>. Berylliurakeramik od.dgl., eine metallisierte bchicht aufgebracht ist, die als Lötflache zum Anlöten äußerer Zuleitungen dient, kann diese metallische Bcliicht oder ihre Verbindung mit dem Substrat sehr leicht durch äußere iiräfte zerstört werden, und es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einer gegenüber derartigen Zerstörungskräften widerstandsfähigen Lötverbindung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lötverbindung zu schaffen, die eine hohe Festigkeit gegen Kräften, die senkrecht zur Lötfläche wirken, aufweist=

Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Lötverbindung für äußere Zuleitungen eines Halbleiterelementes geschaffen werden, die besonders steif und unempfindlich gegen Handhabung ist.

Durch die erfindungsgemäße Lötverbindung soll auch eine vorteilhafte Halbleiteranordnung für Verwendung im Ultrahochfrequenzbereich geschaffen werden, die eine besonders kleine parasitische Reaktanz aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Lötverbindung, bei der sich eine Zuleitung mit ihrem nicht verlötetem Hauptteil im wesentlichen parallel zu einer Lötfläche des Bauteils

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erstreckt, und die dadurch feekennzeichnet ist, daß der angelötete Bndabschnitt der Zuleitung; sich im wesentlichen senkrecht zu der Lötfläche erstreckt.

Insbesondere ist die Erfindung in der Weise realisiert, daß eine draht- oder streifenförmige Zuleitung· zu einem elektrischen Bauteil oder Halbleiterelement ein im wesentlichen rechtwinklig abgebogenes Snde aufweist, welches iia wesentlichen senkrecht auf der für das Anlöten vorgesehenen metallisierten Oberfläche eines isolierenden Substrats aufsitzt und somit im - stumpfen Stoß an dieser festgelötet ist.

Ausführungsfonnen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

rig. 1 und 2 zeigen im Schnitt Lötverbindungen genäß dem Stand der Technik;

i'ife"· 3 zeigt im Schnitt eine Lötverbindung gemäß

einer Ausführungsfonn der Erfindung}

i'ig. 4A und 4S zeigen in Draufsicht und Seitenansicht eins

AuBführungsforni einer Zuleitung für eine Lötverbindung gemäß der Erfindung!

Fig. 5A und 55 zeigen in Draufslch'o und Seitenansicht eine

Halbleiteranordnung niit einer erfindungs gemäß en Lötverbindung!

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Jj'ig. 6 und 7 zeigen im Schnitt weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lötverbindung,

Gemäß dem Stand der Technik werden Lötverbindungen an Halbleiterelementen z.is, gemäß i'ig. 1 in der Weise ausgeführt, daß eine Metallschicht 2 als Lötfläche von vorgegebener J?orm auf einer Oberfläche eines flachen isolierenden Substrats 1, z.B. aus Keramik, aufgebracht wird, und daß auf diesen Lötflächenabschnitt eine äußere Zuleitung 3 Kit einem Lötmittel 4 angelötet wird. Bekanntlich haben bei Substraten oder Bauelementen für die Verwendung im ITltrahochfrequenzband die ZuIeitungsdrähte für die Elektroden od.dgl. im allgemeinen Streifenform, und die Lötverbindung ist derart, daß die Oberfläche deß Lötbereiches auf dem Substrat 1 und der äußere Zuleitungsstreifen 3 parallel zueinander liegen und verlötet sind.

Eine derartige Lötverbindung hat keine ausreichende Pestigkeit gegenüber solchen Kräften, die die Zuleitung 3 senkrecht zur Lötfläche nach oben abzubiegen und abzuziehen suchen. Dies gilt vor allem bei Bauteilen für das Ultrahochfrequenzband, da diese wegen ihrer kleinen Abmessungen zur Verringerung der parasitischen Reaktanz nur eine äußerst kleine Lötfläche aufweisen können. Deshalb haben vor allem eolche Bauteile eine sehr geringe Abziehfestigkeit bei bisher üblichen Lötverbindungen. Beispielsweise ist zum Anlöten eines 0,6 mm breiten Zuleitungsstreifens an einem Keramiksubstrat zur Erzielung einer ausreichenden Abzugsfestigkeit eine metallische Lötfläche 2 mit einer Größe von mindestens 1 mm χ 1 mm erforderlich.

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Da jedoch ein Bauteil für die Verwendung im Ultrahochfrequenzband sehr kleine Abmessungen haben muß_p kann in den meisten Fällen nur eine Lötfläche von höchstens O₉7 mm x O₉5 ma bereitgestellt werden. Pur derart kleine Lötflächen liegt bei den bisher üblichen Lötverbindungen gemäß I¹Ig₀ 1 die Abziehfestigkeit in Bereich von 0,4 bis 1,5 kg, während die zu fordernde Abziehfestigkeit mindestens 0,9 kg und vorzugsweise wesentlich mehr betragen sollte.

Eine gewisse Verbesserung der Abziehfestigkeit der Lötverbindung nach dem Stand der !Technik kann mit der Anordnung gemäß S¹Xg. 2 erreicht werden, bei der die Metallschicht nicht nur an der Oberfläche, sondern auch auf einer Seitenfläche des isolierenden Substrats 1 vorgesehen ist und die Zuleitung 3 derart angelötet wird, daß das Lötmittel 4 an der Oberseite und der Seitenfläche anliegt. Auch mit einer solchen Anordnung können bei den oben angegebenen Größenverhältnissen bestenfalls Abziehfestigkeiten von 0,6 bis 2 kg erreicht werden.

Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Lötverbindung gemäß den Fig. 3 bis 7 das Ende eines äußeren ZuleitungsStreifens 33 L-förmig abgebogen, und dieses abgebogene Ende wird ungefähr im Zentrum der metallischen Lötfläche 2 auf dem Isolatorsubstrat 1 im wesentlichen rechtwinklig zu dieser Fläche 2 aufgesetzt und dann mit Lötmittel 4 angelötet. Das Lötmittel 4 wird derart aufgebracht, daß es nur den abgebogenen Endabschnitt der Zuleitung 33 umgibt und

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daran anhaftet, sich aber im wesentlichen nicht bis zu dem zur Pläche 2 parallel verlaufenden Ilauptteil der Zuleitung- 55 erstreckt, iiis ist vorteilhaft, wenn das Lötmittel 4 gleichmäßig auf allen Seiten des Endes der Zuleitung 53 verteilt iet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrug die von der Hetallschicht 2 gebildete Lötflache 0,7 mm χ 0,5 mm, also gleich der oben beschriebenen bekannten Lötverbindung,, wobei aber mit der erfindungsgemäßen Lötverbindung eine Abziehfestigkeit im Bereich von 1 bis 5 kg erzielt wurde . Bei einer noch vorteilhaf-

•jO teren Ausführungsform der Erfindung hat der Endbereich eines Zuleitungsstreifens 43 eine verringerte Breite, wie in i'ig. 4A und 4^B dargestellt. Es wurde gefunden, daß durch diese Ausbildung des Zuleitungsstreifens Zufallsschwankungen der Verteilung des Lötmittels rund um das Zuleitungsende beim LoVben wesentlich verringert werden, so daß man bei der Massenfertigung wesentlich gleichmäßigere Lötverbindungen und wesentlich geringere Schwankungen der .Festigkeit der Lötverbindungen erzielen kann.

!"ig. 5A und 5B zeigen in Draufsicht und in Seitenansicht eine bevorzugte Anwendung der Erfindung für die Befestigung der Zuleitungen an einem GaAs-]?eldeffekttransistor, bei der eine Packung 50 aus Berylliumoxidkeramik an beiden Enden mit trapezförmigen Befestigungsvorsprüngen 51 für die Zuleitungen versehen ist. Eine Abdeckung 55 aus Keramik ist auf die obere Seite der Packung 50 mittels eines

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Silberlots befestigt, und eine wärmeabstrahlende Basis 50 aus Kupfer ist an der Unterseite der Packung 50 unter Zwischenfügung einer Scheibe 56 aus Kovar (einer Hickel-Eisen-Kobaltlegierung) ebenfalls mittels Silberlot befestigt. Die oberen Flächen der Befestigungsvorsprünge 51 sind mit Metallschichten 52 versehen, die elektrisch mit einem in der Packung 50 eingeschlossenen FET verbunden sind. Diese Metallschichten 52 haben eine etwas größere Breite als die Zuleitungsstreifen 53 (in Fig. 5B sind die Metallschichten 52 nicht gesondert hervorgehoben),, Ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig„ 3 ist der anzulötende Endteil des strei-. fenförmigen Zuleitungsdrahtes 33 aus Kovar annähernd rechtwinklig, abgebogen und mittels eines Silbes-Kupfer-Lötmittels 54 an die Metallflächen 52 angelötete Letztere können aus einem Material wie Wolfram, Molybdän, Mangan, lickel oder dgl«, oder Legierungen davon bestehen,, (in Fig. 5A ist das Lötmittel 54 der Deutlichkeit halber nicht dargestellt). Die Lötverbindungen im Halbleiterelement gemäß Fig. 5 können beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen₀ Der Zuleitungsdraht 53 hat eine Länge von 7s4 ¹¹¹¹¹¹Si eine Breite von 0,6 mm und eine Dicke von 0,1 mm, und seine Breite verringert sich am Ende auf 0,3 nun, wobei diese Verringerung der Breite allmählich erfolgt, beginnend von einer Stelle, die O₉5 bis 0,7 nun vom Ende entfernt liegt. Der ZuIeitungsdraht 53 ist an einer Stelle, die etwa 0,4 h™ von seinem Ende entfernt liegt, um nahezu 90° abgebogen. Die metallische Lötfläche 54 hat eine Breite von 0_s"J um. und eine Länge in Richtung des Zuleitungsdrahtes von etwa 0,5 mm₀ Die Packung 50 hat eine

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Höhe von 1,2 mm, in ihrem oberen Teil eine Länge \~on 2,4 πηη und in ihrem unteren Seil einschließlich der Befestigungsvorsprünge 51 eine Länge τοη 5,5 h^j wobei die HöJbe dieser Befestigungsvorsprünge 0,6 mm beträgt. Me Scheibe 56 hat quadratische Abmessungen von 2,4 es s 2,4 sm und eine Dicke von 0,3 mm» Me Kupferbasen 57 hat eine Sicke von O₅3 sna und die gleiche ϊοπη wie der Außenumriß der Packung 50 in deren unteren !'eil.

Bei einer anderen Ausführungsforni der Erfindung gemäß Fig. 6 ist eine Metallschicht 52 sowohl an der oberen Seite als auch an der Seitenfläche des Isolatorsubstrats 1 vorgesehen, und eine Zuleitung 33 ist derart angelötet, daß das Lötaaterial A an diesen beiden Flächen anliegt. In diesem ITaIl kann bei siner Lotfläohe von der oben erwähnten Größe eine Abziehfestigkeit von 1,2 Me 3 kg erreicht werden»

Bsi silier tfeitsren. bevorzugten Äusführung-sform der Erfindung gemäß IPig. 7 ist eine Metallschicht 52 auf der Oberseite und einem Seil der Seitenfläche des Isolatorsubstrats 1 vorgesehen während eine andsre I-Ietallschioht ?2^! auf dsr Rückseite des Substrats 1

von der esst genannten Metallschicht ?2 elektrisch isoliert ist, Bie Srf'i&ösxg Izzmi somit anoh bei HalBleiteseleneßtea aagswendet ie eise I-Ieiiellscliiciit 52⁸ als Brd^ngselsktrsde aufweisen. stSaeliöb. wasdea is diesem Fall Maßnahmen, sur weitest gehend*r* SeouaicrOng der Strei^apasität swisoiien diesen llektroden₉ iassbesesäisr© Eia^altiag ©iaes möglichst großen Aöstandee swiseken den Mewallsohichuen 72;, 12% angewendet«

ferner ist die Erfindung nicht auf die in Figo 4A und 4B dargestellt Ausgestaltung des anzulötenden Endes der Zuleitung beschränkt„ sondern diese kann in verschiedenster Weise ausgeführt werden_o i'erner muß das abgebogene Ende der Zuleitung nicht exakt im rechten ¥inkel abgebogen seinj, sondern dieser Winkel braucht nur ungefähr ein rechter ¥inkel zu sein« Vorzugsweise beträgt der Winkel mindestens 45 oder mehr₅ und er liegt vorteilhafterweise im Bereich von 70 bis 110 _α

Durch die erfindungsgemäße Lötverbindung können an einem plättchen- oder streifenförmigen Substrat äußere Zuleitungen unter Erzielung einer Verbindung von hoher Festigkeit angebracht werden, ohne daß die Eigenschaften des Substrats oder Bauteils für die Verwendung im Höchstfrequenzbereich verschlechtert werden₀ Die erfindungsgemäße Lötverbindung ist besonders vorteilhaft für Eeramiksubstrate mit unvollkommen oder fehlerhaft ausgsbild©tsa Randbereichen sowie auch für Substrate auf einem Keramikmaterial, das aufgrund seiner Verarbeitung vor dem Brennen eine ungleich= förmige Dichte aufweist oder bei dem Fehler durch die formgebung entstanden sind₀

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Claims

zeichnet, daß sie ein Isolatorsubstrat (50) aufweist, das auf einer Hauptflä,che metallische Anschluß schichten (52) träf,t, cLie sich bis zum Handbereich des xsolatorsubstrats (50) erstrecken, in welchem Lötansätze (51) vorgesehen sind, xiobei die Hetallschichten (52) elektrisch mit einem auf dem Isolatorsubstrat (50) angeordneten Schaltelement verbunden sind, undchß metallische Zuleitungen an die hetallschichten (52) derart angelötet sind, daß sich die iindabschnitte der Zuleitungen in einem vorgegebenen Winkel zu der Oberfläche der Lötansätze (54) erstrecken.

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S) Int. Cl.²:

S) BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

H 01 L 21/60

DEUTSCHES.

PATENTAMT

Offenlegungsschrift 28 07 601

Aktenzeichen: P 28 07 601.9 Anmeldetag: 22. 2.78 Offenlegungstag: 31. 8.78

Unionspriorität:

25. 2.77 Japan 22962-77

Bezeichnung: Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauteil, insbesondere

Halbleiterelement, und einer Zuleitung

Anmelder:

Nippon Electric Co., Ltd., Tokio

Vertreter:

Erfinder:

Glawe, R., Dr.-Ing.; Delfs, K., Dipl.-Ing.;

Moll, W., Dipl.-Phys. Dr.rer. nat; Mengdehl, U., DipL-Chem. Dr.rer. nat.; Pat.-Anwälte,

8000 München u. 2000 Hamburg Anazawa, Shinzo; Kozu, Hideaki; Tokio

Recherchenantrag gem. § 28 a PatG ist gestellt

O 8.78 809 835/739

GLAWE₁ DELFS, MOLL & FARTNER

Nippon Electric Company Ltd, 3:5-1, Shi"ba G-ochome, Minato-ku Tokyo 108 / JAJPM

Lötverbindung zwischen einem elektrischen bauteil, insbesondere Halbleiterelement, und einer Zuleitung

PATENTANWÄLT

U /

DR.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-1NG. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

8000 MÖNCHEN 26
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LIEBHERRSTR. 20
TEL. (089) 22 65 48
TELEX 52 25 05

MÜNCHEN

A Ob

2000 HAMBURG 13 POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE 58 TEL. (040) 410 20 08 TELEX 21 29 21

Patentansprüche

3 Lötverbindung zwischen einer Lötfläche eines elektrischen
Bauteils, insbesondere eines Halbleiterelementes, und einem im wesentlichen parallel zu dieser Fläche verlaufenden draht- oder streifenförmigen Zuleitung , dadurch gekennzeichnet , daß 5 der an die Lötfläche (2, 52) angelötete Endabschnitt der Zuleitung
(33, 43» 53) ini wesentlichen senkrecht zu dieser Lötfläche verläuft.
2. Lötverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil ein isolierendes Substrat (1, 51) und eine auf einer ebenen Oberfläche des Substrats aufgebrachte me-10 teilische Schicht (2, 52) aufweist und daß die Zuleitung (33, 43, 53) streifenförmig ausgebildet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

BANK: DRESDNER BANK, HAMBURG, 4 030 448 (BU 200 800 00) ■ POSTSCHECK: HAMBURG 147607-200 ■ TELEGRAMM: SPECHTZIES