DE2802439A1 - Halbleiter-sockel - Google Patents

Halbleiter-sockel

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DE2802439A1 DE19782802439 DE2802439A DE2802439A1 DE 2802439 A1 DE2802439 A1 DE 2802439A1 DE 19782802439 DE19782802439 DE 19782802439 DE 2802439 A DE2802439 A DE 2802439A DE 2802439 A1 DE2802439 A1 DE 2802439A1
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Description

DIpL-PHyS-O-E. Weber -j d-s Manchen 71 Patentanwalt HofbrunnstraBe 47
Telefon: (069)7915050
Telegramm: monopolweber münchen
M 64-1
MOTOEOLA. INC.
Esst Algonquin Road
Schaumburg, 111. 60196
USA
Halbleiter-Sockel
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Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Halbleitereinrichtungen und bezieht sich insbesondere auf die Verbindung oder die Befestigung einer Halbleiterplatte oder eines Halbleiterplättchens mit einem Metallsockel.
Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen ist deren Zuverlässigkeit. Insbesondere sind in der Vergangenheit Zuverlässigkeitsprobleme bei der Lötverbindung zwischen der Halbleiterplatte oder dem Halbleiterplättchen und dem Sockel aufgetreten. Das herkömmliche Verfahren zur Anbringung einer Halbleiterplatte oder eines Halbleiterplättchens besteht darin, den Sockel auf eine ausreichende Temperatur aufzuheizen, so daß ein Lötmittel auf einem flachen Bereich des Sockels schmilzt, wonach dann ein Halbleiterplättchen auf den Sockel in das Lötmittel aufgebracht wird. Der Sockel wird dann abgekühlt, wodurch das Lötmittel sich verfestigt und das Halbleiterplättchen oder die Halbleiterplatte, mit dem Sockel fest verbindet.
Die Zuverlässigkeitsprobleme werden durch eine mangelhafte Lötverbindung der oben genannten Art hervorgerufen. Da eine Halbleiterplatte und der Sockel verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, entsteht während einer TemperatürSchwankung der Halbleitereinrichtung eine Schubspannung. Um dieser Schubspannung standzuhalten, muß eine Mindestdicke des Lötmittels zwischen der Platte und dem Sockel vorhanden sein, damit die Spannung im Lötmittel nicht dazu führt, daß der Elastizitätsmodul des Lötmittels überschritten wird. Wenn der Elastizitätsmodul überschritten wird, so bedeutet dies, daß das Lötmittel Risse oder Sprünge bekommt. Dadurch wird die Verbindung oder die Befestigung so weit geschwächt, daß es dazu kommen kann, daß die Platte sich von dem Sockel abhebt. Durch einen Riß oder einen Sprung wird auch das Wärmeleitvermögen zwischen der Platte und dem Sockel vermindert.
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Es wird somit der spezifische Värmewiderstand erhöht. Andererseits ist der Wärmewiderstand zwischen der Platte und dem Sockel direkt proportional zu der Dicke des Lötmittels. Wenn somit die Dicke der Lötverbindung erhöht wird, um die Temperatürspannungen zu vermindern, wird auch der Wärmewiderstand zwischen der Platte und dem Sockel vergrößert.
Die Dicke der Lötverbindung ist insbesondere bei Leistungsoder Hochleistungs-Halbleitereinrichtungen von großer Bedeutung. Solche Einrichtungen werden derart ausgebildet, daß sie dazu in der Lage sind, große Mengen an elektrischer Energie aufzunehmen, die in Form von Wärme abgeführt werden muß. Deshalb ist ein geringer spezifischer Wärmewiderstand bzw. ein geringer Wärmewiderstand zwischen der Platte und dem Sockel anzustreben. Außerdem sollten diese Platten möglichst groß ausgebildet sein, um die Verteilung der Wärme zu unterstützen. Dies führt jedoch zu weiteren und größeren Schubspannungen in der Lötverbindung, und zwar im Vergleich zu der Schubspannung, welche in der Einrichtung mit der kleineren Platte entsteht. Es ist bereits versucht worden, ein verhältnismäßig hartes Lötmittel zu verwenden, welches einen hohen Elastizitätsmodul aufweist, und zwar insbesondere zur Anwendung bei Leistungseinrichtungen, so daß dadurch eine verhältnismäßig dünne Schicht an Lötmittel verwendet werden kann. Dieses harte Lötmittel hat jedoch einen verhältnismäßig hohen Goldgehalt, so daß es um etwa den dreifachen Betrag teuerer ist als ein weicheres Lötmittel, welches kein Gold enthält.
Weiterhin ist bei den oben geschilderten Methoden der Anbringung einer Halbleiterplatte die Dicke der Lötverbindung schwer zu steuern und zu überwachen, und es ist auch außerordentlich schwierig, die Platte parallel in bezug auf den Sockel anzuordnen. Eine leichte ΈehlanOrdnung der Platte, d. h., eine leicht gegenüber dem Sockel geneigte Anordnung
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der Platte führt zu verschiedenen unerwünschten Effekten. Zunächst ist festzustellen, daß der Punkt, an welchem die Platte dem Sockel am nächsten ist, zu einer hohen Spannung in dem Lötmittel führt und somit eine besondere Gefahrenstelle bildet, an welcher das Lötmittel reißen kann. Zweitens können Zwischenräume oder Hohlräume in solchen Lötmittelbereichen auftreten, in denen die Platte am weitesten von dem Sockel entfernt ist. Dies führt zu einer ungleichförmigen Lötmittelhaftung an dem Sockel. Somit entsteht eine schwache Verbindung zwischen der Platte und dem Sockel und ein entsprechend hoher Wärmewiderstand zwischen der Platte und dem Sockel. Es entstehen weiterhin heiße Stellen, welche auf der Platte in solchen Bereichen erzeugt werden, die keine gute Lötverbindung zwischen der Platte und dem Sockel haben. Dadurch wird das Wärmeleitvermögen vermindert, und die Zuverlässigkeit der Halbleitereinrichtung wird beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgab e zugrunde, eine Anordnung der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, bei welcher die Platte oder das Plättchen in einer Halbleiteranordnung in einer besonders gleichförmigen Höhe auf dem Sockel und zugleich parallel zu dem Sockel angebracht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß der Sockel einen Flattenbefestigungsbereich aufweist, welcher zur Anbringung einer Halbleitereinrichtung dient, daß in dem Plattenbefestigungsbereich Erhebungen von gleichförmiger Höhe vorgesehen sind, welche als Auflager für die Plalbleitereinrichtung dienen, so daß die Halbleitereinrichtung auf einer gleichförmigen Höhe oberhalb von und parallel zu dem Sockel zu halten ist, während die Plattenbefestigung erfolgt.
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Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß Spannungen in dem Lötmittel besonders gleichförmig verteilt sind, welches dazu verwendet wird, das Halbleiterplättchen mit dem Sockel der Anordnung zu verbinden.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine gleichförmige Tiefe des Lötmittels zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Sockel der Anordnung gewährleistet.
Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, ohne Verwendung eines Gold enthaltenden Lötmittels eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen einem Halbleiterplättchen und einem Sockel herzustellen.
Eine gemäß der Erfindung hergestellte Anordnung zeichnet sich auch durch eine besonders gute spezifische Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Sockel aus.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Halbleiteranordnung ist dazu in der Lage, Temperaturschwankungen besonders gut auszuhalten, ohne daß die Qualität der Verbindung zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Sockel der Anordnung nachteilig beeinträchtigt wird.
Die Erfindung bedient sich somit der Erkenntnis, daß eine besonders vorteilhafte und zuverlässige Anordnung gebildet wird, wenn ein Platten-Lötbereich zwischen einer Halbleiterplatte oder einen Halbleiterplättchen und einem Sockel verwendet wird, der eine Vielzahl von Erhebungen oder Pyramiden gleicher Höhe aufweist, wobei die Erhebungen oder Pyramiden dazu dienen, die Halbleitereinrichtung auf einer festen Höhe parallel zu dem Lötbereich und zu dem Sockel zu halten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
iig. Λ eine peri-:pektivische Darrteilung, welche einen HaIbleitersockel und einen Leitungsrahmen gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. Z einen perspektivischen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab, v/elcher einen Platteribereich darstellt, der die Erhebungen oder Vorsprünge veranschaulicht,
iig. Z einen Schnitt durch den Sockel und den Plattenanschlußbereich mit einer darauf angeordneten Halbleiterplatte, und
5'ig. 4 eine grafische Darstellung, welche die Zuverlässigkeit des Erfindungsgegenstandes im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen veranschaulicht.
Gemäß Fig. Λ ist an einem Halbleitersockel 10, an welchem ein Leitungsrahmen 1? angebracht ist, ein Flattenanschlußbereich oder Plattenbefestig-ungsbereich 14 vorgesehen, in welchem eine (nicht dargestellte) Halbleiterplatte angebracht werden soll. Der Sockel 10 besteht aus Kupfer, welches mit Nickel plattiert ist.
Die Iig. ? veranschaulicht in vergrößertem Maßstab den Flattenanschlußbereich 14 mit Erhöhungen, Erhebungen, Kuppen, Vorsprüngen oder ähnlichen Elementen, die mit 16 bezeichnet sind und die auf der Oberfläche 13 ausgebildet sind. Die Kuppen oder Erhebungen 16 werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. des Erfindungsgegenstandes dadurch hergestellt, daß die Vorderseite des Sockels mit einem entsprechenden Werkzeug, welches in einem quadratischen Bereich Vorsprünge aufweist, durch
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i-r essen, Prägen oder dergleichen bearbeitet wird. Die Vorsprünge haben Abmessung en von 0,5 aim im Quadrat (?O nil square), und der Abstand ihrer Mitten voneinander beträgt etwa 0,75 mm (30 mil). Wenn, der Sockel auf diese Weise mit den Vorrprüngen bearbeitet wird, v/erden Vertiefungen 20 bis zu einer Tiefe von etwa 0,??5 mm (11 mils) erzeugt, und es werden weiterhin entlang den Erhebungen 16 Kanten bis zu einer Höhe von etwa 0,075 m.rn (3 mils) über die Oberfläche "1S des Sockels hinaus gebildet. Diese erhöhten Kappen 16 bilden dann die Auflager, auf welchen die Halbleiterplatte während des Befestigungsvorganges angebracht wird. Obwohl diese Luppen oder Erhebungen 16 auf die Oberfläche des Sockels aufgebaut wurden, könnte die Anordnung auch so getroffen sein, daß die Rückseite des Sockels mit einem entsprechenden Werkzeug bearbeitet wurde, Die Überfläche des Sockels könnte grundsätzlich auch gerändelt werden.
Die Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Sockel 10 gemäß Fig. 1, und zwar zeigt diese iigur die Anordnung in dem Zustand, \tfelcher vorhanden ist, nachdem eine Halbleiterplatte 22 aufgelötet wurde. Die Halbleiterplatte 22 liegt auf den Kuppen oder Erhebungen 16 des Sockels 10, und ein Lötmittel oder Lot 24 füllt die Zwischenräume zwischen den Erhebungen oder Kuppen 16 aus. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Lötmittel ein zinnreiches Material verwendet, beispielsweise eine Zinn-Silber-Legierung mit 95 % Zinn und. 5 % Silber. Da die Halbleiterplatte 22 während des Verbindungsvorganges auf den Erhebungen 16 aufliegt, wird die Platte parallel zu dem Sockel gehalten, und zwar auf einem vorgegebenen Abstand von dem Sockel. Somit entsteht ein gleichförmiger Lötverbindungsbereich, welcher zu gleichförmigen und. vorhersehbaren Temperaturspannungen über die Lötverbindung führt. Die Dicke des Lotmittels ist genau steuerbar, und die Spannungsbereiche, welche auf dem Lötmittel vorhanden sind, sind jetzt schmaler oder enger als bei herkömmlichen Verbindungsmethoden. Somit ist es möglich, ein weicheres, weniger kostspieliges Lötmittel zu verwenden, ohne daß die Gefahr besteht,
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-ST-
daS der Elastizitätsmodul dee Lötraittels zu klein wäre, Weiterhin wirken die Kuppen oder Erhebungen als Lpannungsbarrioren, co daß die Spannungen gleichförmig auf das Lötmittel verteilt werfen und dadurch Spannungskonzentrationen in dem Lötmittel vermieden v/erden. Weiterhin hat die Anordnung gemäß Fig. " verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen, und zwar im Hinblick auf die Abführung der Wärme von der Kalbleiterplatte 22 zu dem oockel 10. Da die Dicke des Lötmittels überall gleichmäßig ist, ist die Wärmeleitfähigkeit zu dem Sockel über die Hatte konstant, und es treten keine örtlichen tberhitzungen auf der ilatte auf, welche durch eine ungleichförmige Wärmeleitfähigkeit des Lötmittels entstehen könnten. Außerdem stellen die Luppen -1G einen Kontakt oder einen eng benachbarten Bereich, mit der Kalbleiterplatte 22 über etwa 10 % der fläche der Hatte dar, und diese Erhebungen oder Kuppen wirken somit als Värmeabfuhrkanäle, weil die Erhebungen ein besseres Wärmeleitvermögen als das Lötmittel selbst aufweisen. Diese Gleichförmigkeit der Lötung trägt zu einer wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Halbleitereinrichtung bei.
In der Fig. 4 sind die Ergebnisse dargestellt, welche bei der Prüfung von einerseits, herkömmlichen Sockeln und andererseits erfindungsgemäßen Sockeln erreicht wurden. Die 1-rüfungen dienten dem Zweck, die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von der Platte zu dem Sockel vor und nach einem Temperatürzyklus zu ermitteln. Die Fig. 4 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung den maximalen Kollektorstrom bis zum Durchbruch, gemittelt über 30 verschiedene Bauteile geder Kategorie, über den temperaturzyklen. Die Kurve 26 veranschaulicht die Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes, und die Kurve 28 veranschaulicht zum Vergleich eine bekannte Anordnung. Die Einrichtungen wurden zunächst geprüft, um das Wärmeleitvermögen von der Hatte zu dem Sockel zu bestimmen, und zwar im Impulsbetrieb, wobei die Einrichtungen über 200 Millisekunden bei den Strompegeln geprüft wurden, die in der Fig. 4 angegeben sind und zwar bei einer Kollektor-Zmitter-Spannung von 30 Volt. Es
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ΑΛ
wurden dann Temperaturzyklen eingestellt, indem die Temperatur an den Einrichtungen jeweils über einen Bereich von 100 0G angehoben und abgesenkt wurde, xvährend die Kollektor-Basis-Strecke rückwärts mit einer Spannung von etwa ^O Volt vorgespannt war. Die Bauteile wurden nach 5000 Zyklen erneut geprüft und abermals nach 10000 Zyklen. Wie aur der grafischen Darstellung der i'ig. 4 hervorgeht, hatten die erfindungsgemäßen Einrichtungen gemäß der Kurve 26 zunächst einen größeren durchschnittlichen maximalen sicheren Lollektorstrom als die herkömmlichen Einrichtungen gemäß der Kurve 28. Nach 5000 Temperaturzyklen, in weichen die Lötverbindung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Platte und dem Sockel entsprechenden Spannungsbelastungen ausgesetzt wurde, wurden die Einrichtungen erneut geprüft. Sowohl die herkömmlichen Sockel, welche in der Kurve 28 veranschaulicht sind, als auch die erfindungsgemäßen Sockel, welche durch die Iiurve 26 veranschaulicht sind, zeigten keine Verschlechterung des Wärmeleitvermögens zwischen der Platte und dem Sockel. Dann wurden die Bauteile wieder nach 10000 Zyklen geprüft. Die erfindungsgemäßen Sockel zeigten gemäß der Kurve 26 eine geringfügige Abnahme des maximalen sicheren Kollektorstroms, obwohl diese Abnahme möglicherweise auf üngenauigkeiten bei der Prüfmethode zurückzuführen sein kann. Die herkömmlichen Sockel zeigten jedoch gemäß der Kurve 28 eine erhebliche Verschlechterung in dem maximalen sicheren Kollektorstrom, und zwar aufgrund der Verschlechterung der Lötverbindung, welche durch die Spannungsbelastungen beeinträchtigt wurde, die während den Temperaturzyklen aufgetreten sind. Gemäß der Erfindung wird bereits im Anfangszustand eine nennenswerte Verbesserung der Betriebscharakteristiken einer Halbleitereinrichtung ermöglicht, und zwar aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Sockel und der Platte, und die Erfindung führt insbesondere zu einer erhöhten Zuverlässigkeit der Bauteile, wenn sie Temperaturschwankungen ausgesetzt werden.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Halbleiter-Sockel, dadurch gekennz e ichnet, daß der Sockel (10) einen Plattenbefestigungsbereich (14) aufweist, welcher zur Anbringung einer Halbleitereinrichtung (22) dient, daß in dem Plattenbefestigungsbereich Erhebungen (16) von gleichförmiger Höhe vorgesehen sind, welche als Auflager für die Halbleitereinrichtung (22) dienen, so daß die Halbleitereinrichtung auf einer gleichförmigen Höhe oberhalb von und parallel zu dem Sockel (10) zu halten ist, während die Plattenbefestigung erfolgt.
  2. 2. Sockel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lötmittel (24) um die Erhebungen (16) herum angeordnet ist, welches dazu dient, die Halbleitereinrichtung (22) mit dem Sockel (10) zu verbinden.
  3. 3. Sockel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (14) Abstände zwischen benachbarten Erhebungen (16) aufweist, welche in der Größenordnung von etwa 0,75 nim (50 mil) liegen, und daß die Erhebungen (16) eine Höhe haben, die im Bereich von etwa 0,075 mm (3 mil) liegt.
  4. 4. Sockel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (16) abgerundete Oberseiten aufweisen.
  5. 5· Sockel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (16) abgerundete Kuppen haben.
  6. 6. Sockel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel (24) ein auf Bleibasis aufgebautes Lötmittel ist.
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    Halbleiter-Sockel, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (10) einen Flattenbefestigungsbereich (14) aufweist, welcher zur Anbringung einer Halbleitereinrichtung (22) dient, daß in dem Plattenbefestigungsbereich Pyramiden (16) von gleichförmiger Höhe vorgesehen sind, welche als Auflager für die Halbleitereinrichtung (22) dienen, so daß die Halbleitereinrichtung auf einer gleichförmigen Höhe oberhalb von und parallel zu dem Sockel (iQ) zu halten ist, während die Flatteribefestigung erfolgt.
    0.9 831/0706
DE19782802439 1977-01-28 1978-01-20 Halbleiter-sockel Pending DE2802439A1 (de)

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US76339877A 1977-01-28 1977-01-28

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