DE1207501B

DE1207501B - Grossflaechige Weichlotverbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelements und einem metallischen Traeger

Info

Publication number: DE1207501B
Application number: DEA42162A
Authority: DE
Inventors: Johannes Giger
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-01-24
Filing date: 1963-01-24
Publication date: 1965-12-23

Description

Großflächige Weichlotverbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelements und einem metallischen Träger Die Erfindung betrifft eine großflächige Weichlotverbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelements und einem metallischen Träger mit einem von dem der Elektrodenplatte verschiedenen thennischen Ausdehnungskoefizienten, bei der zwischen den miteinander verlöteten Flächen eine einlagige Schicht sich gegenseitig berührender Metallkörper, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen demienigen der Elektrodenplatte und demjenigen des Trägers liegt, vorgesehen ist.
Die hohen Leistungsdichten, die insbesondere die Halbleitergleichrichter auf dem Starkstromgebiet aufweisen, verlangen die Abführung der im Halbleiterelement entstehenden Verlustwänne durch geeignete Kühlvorrichtungen. Um einen guten Wärmekontakt des aktiven Halbleiterelementes z. B. eines steuerbaren oder nicht steuerbaren Gleichrichters, eines Transistors od. dgl., zu erreichen, ist das Element mit einem massiven metallischen, meist aus Kupfer bestehenden Träger, beispielsweise dem Gehäuseboden, und mit einer Stromzuführunc, verlötet. Bei Halbleiterelementen, die für hohe Leistungen bestimmt sind, wird das Gehäuse außerdem in einen Kühlkörper eingeschraubt oder eingepreßt.
Damit sich die infolge der unterschiedlichen ihermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Trägers (beispielsweise Kupfer) und des des Halbleiterkörpers (beispielsweise Silizium) auftretenden mechanischen Kräfte nicht auf den Halbleiterkörper übertragen und seine Zerstörung bewirken können, ist der Halbleiterkörper durch ein geeignetes Lot mit Elektrodenplatten verbunden, die aus einem Material mit mindestens angenähert gleichem therrnischem Ausdehnungskoeffizienten wie demjenigen des Halbleiterkörpers bestehen. Für einen Siliziumkörper hat sich die Verwendung von Molybdän oder Wolfram als günstig erwiesen.
Die Verbindung der Elektrodenplatte mit dem Träger erfolgt bekanntlich mit Hilfe eines Weichlotes auf Blei- oder Zinnbasis, welches die infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehenden Kräfte aufnimmt. Derartige Lotverbindungen zwischen Elektrodenplatte und Träger sind einwandfrei, solange die Lötfläche klein ist. Bei größeren Lötflächen von beispielsweise mehr als 100 mm2 zeigen sich bei wechselnder therinischer Belastung des Halbleiterelementes in der Lötverbindung Ermüdungserscheinungen, welche auf plastischer Verformung des Weichlotes beruhen und nach verhältnismäßig wenig zahlreichen Lastwechseln zur Auftrennung der Lötverbindung und zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen. Zur Beseitigung des genannten Nachteils und zur Erhöhung der Festigkeit der Lötverbindung ist es bekannt, den Träger mit einer weich angelöteten Auflage -zu versehen, mit der die Elektrodenplatte des Halbleiterelementes ebenfalls durch Weichlötung verbunden wird und deren therinischer Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen des Metallkörpers' und demjenigen der Elektrodenplatte liegt.
Es ist weiter bekannt, den Träger mit einer hart angelöteten Auflage zu versehen, die etwa den gleichen therinischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Elektrodenplatte aufweist, und dann die Elektrodenplatte mit der Auflage durch Weichlötung zu verbinden.
Es ist auch bekannt, die an die Lotschicht angrenzende Fläche des Trägers durch Schlitze in einer Vielzahl kleinerer Flächen zu unterteilen, wodurch die entstehenden Kräfte durch Verformung des unterteilten Körpers aufgenommen werden.
Ferner ist es bekannt, Elektrodenplatte und Träger 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 aufgenommen und nicht auf das Halbleiterelement übertragen werden. Dadurch verschlechtert sich aber der Wärmeübergang vom Halbleiterelement auf den der Wärmeabfuhr dienenden Träger. Zudem muß die Hartlötung beispielsweise mit Silberlot bei wesentlich höheren Temperaturen vorgenommen werden, so daß die Gefahr besteht, daß Kupfer aus dem Träger in den Halbleiterkörper diffundiert und seine Spannungsfestigkeit herabsetzt.
Es ist schließlich eine Halbleiteranordnung mit einer flächenhaften Verbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes und einem mechanischen Bauteil, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoefflzienten als die Elektrodenplatte hat, bekannt. In dieser Anordnung ist zwischen der Elektrodenplatte und dem Bauteil eine Ausgleichsplatte eingelötet, die mosaikartig aus einer Vielzahl metallischer Einzelkörper zusammengesetzt ist. Vorzugsweise bestehen die Einzelkörper aus Kupfer, also dem gleichen Metall wie dasjenige des mechanischen Bauteils, und zwar aus zylindrischen Drahtstiften, die durch einen Ring zusammengehalten werden. Beim Verlöten darf das Weichlot nur die Stirnflächen der Kupferstifte benetzen, nicht aber zwischen die Kupferstifte einlaufen. Eine derartige Ausgleichsplatte stellt daher ein quasiplastisches.Zwischenelement dar, das die Entstehung von therinischen Spannungen an seinen Grenzflächen weitgehend verhindern soll.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine großflächige Weichlotverbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelements und einem metallischen Träger mit einem von der Elektrodenplatte verschiedenen thennischen Ausdehnungskoeffizienten aufgezeigt, bei der zwischen den miteinander verlöteten Flächen eine einlagige Schicht sich gegenseitig berührender Metallkörper, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen der Elektrodenplatte und demjenigen des Trägers liegt, vorgesehen ist. Die Erfindung besteht bei dieser Weichlotverbindung darin, daß die Metallkörper kugelförmig ausgebildet und vom Weichlot umgeben sind.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung am Beispiel eines Halbleitergleichrichters näher erläutert werden.
In der Zeichnung ist ein Halbleitergleichrichter gezeigt, bei welchem die Elektrodenplatten des Halbleiterelementes mit dem Gehäuse und mit der Strornzuführung durch Lötverbindungen gemäß der Erflndung verbunden sind. Der Gleichrichter ist im Zustand vor dem endgültigen Zusammenbau dargestellt, d. h. 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 Halbleiteranordnungen, wie Leistungstransistoren, verwendet werden.
Mit 1 ist der metallische, aus Kupfer bestehende Träger 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 bezeichnet, 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, deren freies Ende durch die Kupferkappe 5 gefaßt ist. Anschlußbolzen und Gehäuseboden sind durch eine geeignete Metall-Hartglasverschmelzung 6 miteinander mechanisch 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 Abmessungen des Halbleiterelementes und der Elektrodenplatten sind hierbei nicht maßstäblich eingezeichnet.
Die an die Elektrodenplatte angrenzende Fläche des Gehäusebodens 1 ist mit einer einlagigen Schicht 10 sich gegenseitig berührender Metallkugeln be- deckt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen derajenigen der Elektrodenplatte8 aus Molybdän und demjenigen 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 Elektrodenplatte 9 angrenzende Fläche der Kupferkappe 5 der flexiblen Stromzuführung 4 mit einer einlagigen Schicht 11 sich berührender Metallkugeln bedeckt, diese Kugelschicht11 mit der Kupferkappe5 ebenfalls weich verlötet ist. Zum Zusammenbau werden der Anschlußbolzen2 und der Gehäuseboden1 zusammengesteckt und auf etwa 2001 C erwärmt, wodurch auch die Kugelschicht 11 mit der Elektrodenplatte 9 durch eine Weichlotschicht verbunden wird. Anschließend wird das Gehäuse gasdicht hartverlötet und durch den Pumpstengel 3 evakuiert bzw. mit Schutzgas gefüllt.
Durch die Bedeckung der Träger, im vorliegenden Beispiel des Gehäusebodens und der Stromzuführung, mit einer einlagigen Schicht sich berührender Metallkugeln, die mit den Trägern und den Elektrodenplatten durch Weichlot verbunden sind, wird erreicht, daß in den Lotschichten an den Bauteilgrenzen bei Temperaturwechseln keine großen mechanischen Spannungen infolge Ausdehnungsdifferenzen auftreten können. Bei der direkten Verlötung des Gehäusehodens mit der Elektrodenplatte entsteht eine dünne und flache Letschicht, in welcher Schubspannungen sich nur in der Ebene der Lotfläche auswirken, was bei großen Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verlötenden Teile zum Brach der Lötverbindung führt. In der Anordnung nach der Erfindung werden die mechanischen Spannungen verteilt und aufgefangen. Beim Zusammenlöten des Gehäusebodens, der Kugelschicht und der Elektrodenplatte füllen sich die Räume zwischen den Kugeln dank den Kapillarkräften mit dem flüssigen Weichlot. Im Raum zwischen 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 Gehäuseboden und der Elektrodenplatte in Berührung stehenden Flächen, nämlich die Gesamtzahl aller Pyramidengrundflächen, nur in geringem Umfang durch die Kugelauflagepunkte vermindert. Da die gesamte vom Lot bedeckte Oberfläche aber um ein Vielfaches größer ist als bei der direkten Verlötung, sind die infolge unterschiedlicher 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 genannten Ebene, d. h. in axialer Richtung. In dieser Richtung wirken sich aber bekanntlich die Spannungskräfte weit weniger gefährlich aus.
Dazu kommt, daß sich bei der gegebenen geometrischen Form der Kugeln die fast geschlossene Berührungsebene des Kugelmaterials, dessen Ausdehnungskoeffizient zwischen demienigen des Gehäusebodens und demjenigen der Elektrodenplatte liegt, in jedem Fall genau zwischen die Grenzflächen des Gehäusebodenmaterials und des Elektrodenplattenmaterials, also beispielsweise zwischen Kupfer und Molybdän, einstellt. 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 vielfachen Unterteilung des Lotspaltes durch die Kugelschicht darin, daß keine scharfen Kanten und Spitzen vorhanden sind, die Ursache von Ansätzen zu Rissen bilden könnten, sondern daß die Lotunterteilungsflächen optimal günstig und gleichmäßig sind.
Als Material für die Metallkugeln mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dernjenigen der zu verlötenden Elektrodenplatte und demjenigen des Trägers eignen sich beispielsweise Platin und Paladium sowie Legierungen dieser Metalle, ferner Chrom und Gold. Es können aber auch die gleichen Metalle wie diejenigen der Elektrodenplatte oder des Trägers verwendet werden, also beispielsweise Molybdän oder Wolfram bzw. Kupfer. Es hat sich als zweckmäig erwiesen, Metallkugeln mit einem zwischen 0,5 und 2 mm liegenden Durchmesser zu verwenden.
Das Bedecken der Träger mit einer einlagigen 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 Träger und der Elektrodenplatte weich zu verlöten.
Ein Verfahren besteht darin, den Träger, also im Beispiel des beschriebenen Halbleitergleichrichters 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 Träger und mit der Elektrodenplatte weich verlötet werden, beispielsweise durch Einbringen einer dünnen Scheibe eines Weichlotes auf Blei- oder Zinnbasis und Erwärmen.
In einem anderen Verfahren werden die Metallkugeln in einer Lehre gefaßt und unter sich zu einem einlagigen gerichteten Kugelgitter von bestimmter Form und Flächengröße mechanisch fest verbunden. Das Gitter wird hierauf auf den Träger gebracht und mit diesem und der Elektrodenplatte weich verlötet.
In der Lehre können die Metallkugeln beispielsweise 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 Träger und der Elektrodenplatte ist, so daß sich beim anschließenden Verlöten des Kugelgitters mit dem Träger und der Elektrodenplatte der Kugelverband nicht löst. Statt dessen können die in einer Lehre gefaßten Kugeln auch durch Punktschweißen oder Sintern in den gegenseitigen Berührungspunkten mechanisch fest verbunden werden. 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 Halbleitergleichrichters erläutert. Sie ist jedoch auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art wie Leistungstransistoren und mehrschichtigen Dioden anwendbar.

Claims

Patentansprüche: 1. Großflächige Weichlotverbindung zwischen einer Elektrodenplatte eines Halbleiterelements und einem metallischen Träger mit einem von dem der Elektrodenplatte verschiedenen thermisch-en Ausdehnungskoeffizienten, bei der zwischen den miteinander verlöteten Flächen eine einlagige Schicht sich gegenseitig berührender Metallkörper, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen der Elektrodenplatte und demjenigen des Trägers liegt, vorgesehen ist, d a - durch gekennzeichnet, daß die Metallkörper kugelförmig ausgebildet und vom Weichlot umgeben sind.
2. Weichlotverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Metallkugeln zwischen 0,5 und 2 mm liegt. 3. Verfahren zur Herstellung einer Weichlotverbindung für Halbleiterelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Metallkugeln in der Form eines einlagigen Gitters mechanisch festgehalten und mit dem metallischen Träger und mit der Elektrodenplatte weich verlötet werden. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln im metallischen Träger spielfrei gefaßt und anschließend unter sich, mit dem Metallkörper und mit der Elektrodenplatte weich verlötet werden. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln in einer Lehre gefaßt und unter sich zu einem festen Gitter verbunden werden und daß das Kugelgitter anschließend mit dem metallischen Träger und mit der Elektrodenplatte weich verlötet wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Metallkugeln unter sich mit einem Lot zu einem Gitter verbunden werden, dessen Schmelzpunkt höher als derjenige des Lotes zur Verlötung des Kugelgitters mit dem metallischen Träger und mit der Elektrodenplatte ist. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln durch Punktschweißen unter sich zu einem Gitter verbunden werden. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln durch Sintern unter sich zu einem Gitter verbunden werden. 9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkugeln mit einer dünnen Metallschicht überzogen werden und unter Wärmeeinwirkung unter sich zu einem Gitter verbunden werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1141029.