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CH652533A5 - Halbleiterbaustein. - Google Patents

Halbleiterbaustein. Download PDF

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CH652533A5
CH652533A5 CH1872/80A CH187280A CH652533A5 CH 652533 A5 CH652533 A5 CH 652533A5 CH 1872/80 A CH1872/80 A CH 1872/80A CH 187280 A CH187280 A CH 187280A CH 652533 A5 CH652533 A5 CH 652533A5
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CH
Switzerland
Prior art keywords
layer
module according
current
electrode
semiconductor element
Prior art date
Application number
CH1872/80A
Other languages
English (en)
Inventor
Julie Yung Fichot
Original Assignee
Gen Electric
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gen Electric filed Critical Gen Electric
Publication of CH652533A5 publication Critical patent/CH652533A5/de

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen isolierten Halbleiterbaustein.
Eine wichtige Funktion eines Halbleiterbausteins ist es, eine wirksame Wärmeleitung zwischen dem Halbleiterelement in diesem Baustein und einem externen Kühlkörper, auf dem der Baustein während des Betriebes angebracht ist, zu schaffen. Eine grosse Anzahl von Faktoren bestimmt die Wirksamkeit des Wärmeüberganges zwischen dem Halbleiter-element und dem externen Kühlkörper. Die Erfindung betrifft hauptsächlich jene Faktoren, die von dem Aufbau des Halbleiterbausteins selbst abhängen, darin eingeschlossen das Halbleiterelement, die elektrisch isolierende Schicht, die das Halbleiterelement gegen den Bausteinkühlkörper isoliert, und den Bausteinkühlkörper selbst, der zur Befestigung an einen externen Kühlkörper mittels herkömmlicher mechanischer Methoden ausgelegt ist. Ein typischer Halbleiterbaustein besteht nach der herkömmlichen Technik aus einer Anzahl verschiedener Materialien und einer Vielzahl von Grenzschichten, die die Materialien zur elekrischen Verbindung mit dem Halbleiterelement und zur thermischen Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem externen Kühlkörper verbinden. Die dicht gedrängte Anordnung dieser unterschiedlichen Materialien kann zu thermischen Beanspruchungen an den Grenzschichten zwischen den einzelnen Bestandteilen führen, wenn der Baustein im Normalbetrieb Aufheiz-und Abkühlphasen unterworfen ist. Wie allgemein bekannt, erhöht sich die Temperatur eines solchen Bausteines mit dem Einschalten und sinkt mit dem Abschalten. Die unterschiedliche Ausdehnung der Gehäusebestandteile aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beansprucht unweigerlich die Grenzschichten zwischen den Materialien und ist ein wesentlicher Grund für die thermische Ermüdung im Gehäuse und letztendlich für den vorzeitigen Ausfall des Bausteins. Sollte es wünschenswert sein, mehrere Halbleiterelemente in einem einzelnen Hybridbaustein zusammenzufassen, so vergrössert sich das Problem noch, da zusätzliche Bestandteile, die zur Verbindung von zwei oder mehr Einzelelementen im Gesamtaufbau erforderlich sind, sowohl den thermischen Widerstand zwischen den Halbleiterelement und dem Kühlkörper als auch möglicherweise die Anzahl von Grenzschichten zwischen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vergrössern. Diese Grenzschichten sind jedoch die Stellen, die mögliche Ausfälle aufgrund thermischer Ermüdung hervorrufen können.
Wegen seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ist Kupfer ein geeignetes Material zur Verbindung mehrerer in einem einzigen Halbleiterbaustein untergebrachter Halbleiterelemente miteinander. Zur Schaffung einer leicht lötbaren Oberfläche werden Kupferteile oftmals mit einer Schicht aus Nickel oder alternativ mit einer Schicht aus einer Kombination von Nickel und Silber überzogen. Diese plattierten Kupferelemente können sowohl mit einem metallisierten Keramik-Isolierglied als auch mit einer Elektroden- oder Spannungsentlastungsplatte eines Halbleiterelementes oder einer -Untergruppe verlötet werden. Kera-mik-Isolierelemente, z.B. aus Berlylliumoxid oder Aluminiumoxid, können leicht metallisiert werden, beispielsweise mit Molybdänmangan oder alternativ mit Kupfer nach dem direkten Bond-Verfahren, das z.B. in der US-PS 3 994 430 beschrieben ist, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Typischerweise wurde Lot als Verbindungsmittel benutzt. Der Schmelzpunkt von Blei-Zinn-Lot, das weit verbreitete Anwendung findet, hängt von dem relativen Verhältnis der beiden Bestandteile ab. So hat z.B. Lot, das zu 37% aus Blei und zu 63% aus Zinn besteht, eine Schmelztemperatur von 1810 C, während Lot aus 50% Blei und 50% Zinn einen Schmelzpunkt von 216°C besitzt. Wenn Materialien mit stark
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unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einer Lötschicht verbunden werden, so werden in ihr grosse Spannungen sowohl durch den Bond- bzw. Verbindungsvorgang selbst als auch beim Auftreten von Temperaturdurchläufen hervorgerufen. Blei-Zinn-Lote der beschriebenen Arten haben einen ziemlich niedrigen Schmelzpunkt und weisen daher eine ziemlich niedrige Restspannung (Spannung, die durch das Bonden verschiedener Materialien entsteht) auf. Sie ermüden jedoch in besonderem Mass mit der Erhöhung der Häufigkeit des Auftretens von Temperaturdurchlaufbeanspruchungen. Zum Beispiel werden oft Siliciumbausteine an einen Teil aus hitzebeständigem Metall mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nahe bei dem des Sili-ciums liegt, gebondet. Wolfram, Molybdän und ähnliches werden häufig eingesetzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Molybdän beträgt 4,9-10~6 cm/cm °C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Kupfer beträgt 17,0-10-6 cm/cm °C. Die Beanspruchungen, die an der Grenzschicht zwischen dem hitzebeständigen Metall und dem Kupfer auftreten, sind extrem hoch und hängen weiterhin von der Temperatur ab, bei der die Verbindung hergestellt wurde, wobei höhere Bond-Temperaturen zu höheren Restspannung führt. Dementsprechend werden Tieftemperaturlote bevorzugt, um die Grösse der Spannungen an der Grenzschicht auf einer erträglichen Höhe zu halten. Solche Tieftemperatur-Weichlote haben jedoch, wie erwähnt, eine begrenzte Ermüdungslebensdauer, was zum Teil durch nicht erfolgtes Entspannen solcher Schichten, nicht vollständig plastische Deformation und dergleichen hervorgerufen wird.
Eine teilweise Lösung des Problems der begrenzten Ermüdungslebensdauer ist der Einsatz von Hartloten, z.B. von eutektischen Gold-Zinn-Loten mit Schmelzpunkten im Bereich von 280°C. Solche Hartlote haben eine grössere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien hervorgerufen werden, als Niedertemperatur-Weichlote; aber die höhere mechanische Festigkeit des Lotmaterials bringt weitere Probleme mit sich, die in gleichem Masse nachteilig sein können wie die kurze thermische Erschöpfungslebensdauer. Wenn z.B. ein Material mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten direkt auf die Oberfläche eines Halbleiterelementes mittels Hartlot gebondet wird, so treten mit grosser Wahrscheinlichkeit Brüche an der gelöteten Grenzschicht des spröden Halbleiterelementes auf. Solche Hartlotmittel sind zudem noch sehr teuer.
Wie erwähnt, hängen die thermischen Spannungen, die an den Berührungsflächen zweier verschiedener Materialien auftreten, direkt von der Bondtemperatur ab. In kleinen Bausteinen, d.h. in Bausteinen mit kleinen Abmessungen, kann die Verwendung von Bondmaterialien für höhere Temperatur (z.B. Lot mit einem Schmelzpunkt von 280°C) eine akzeptable Lösung darstellen. In grösseren Bausteinen reichen die Spannungen, die im Lot während des Bondens entstehen, jedoch oftmals aus, das eine oder andere der gebondeten Materialien plastisch zu verformen, was zu einer Verbiegung oder ähnlichem, wie es gewöhnlich gefunden wird, führt. Solche Verbiegungen führen zu einem Verlust an Ebenheit von Teilen des Halbleitergehäuses, besonders des Bausteinkühlkörpers. Das kann zu thermischen Driftproblemen führen, um so mehr wenn das Gehäuse nicht gut an einem externen Kühlkörper befestigt werden kann. Im Extremfall kann die Verformung der Gehäuseelemente ausreichen, das Halbleiterelement zu sprengen oder anderweitig zu beschädigen, und somit zu einem Bausteinausfall führen.
Demgemäss werden in grossflächigen Hochleistungsbausteinen Presshalterungssysteme eingesetzt. Die verschiedenen Elemente des Bausteins werden in engen, aber nicht gebondeten Kontakt gebracht und durch äussere oder innere Federkräfte zusammengedrückt. Solche Bausteine finden breite Anwendung in der Hochleistungshalbleiterindustrie. Solche Pressbausteine leiden jedoch unter mehreren Nachteilen. Sie sind etwas komplexer und erheblich teurer und benötigen nicht nur einen äusseren Kühlkörper, sondern auch zusätzlich zur Erzeugung der erforderlichen zusammenpressenden Kräfte eine Klammer oder dgl., um richtig zu arbeiten. Solche Systeme sind teurer und von grösserer Komplexität als Bausteine, bei denen solche zusätzlichen strukturellen Elemente entfallen. Weiterhin ist die Wirksamkeit der Wärmeübertragung vom Baustein zu einem äusseren Kühlkörper bei Einsatz «trockener» Berührungsflächen erheblich geringer als bei einem Baustein, bei dem gebondete oder andere «nasse» Berührungsflächen geeignet eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterbaustein zu schaffen, der einen geringeren Wärmewiderstand zwischen einem Halbleiterelement und einem Bausteinkühlkörper besitzt und, damit kombiniert, bei dem während des Betriebs geringere thermische Spannungen aufgrund verschiedener thermischer Expansion der Bestandteile des Gehäuses auftreten.
Weiterhin soll die Erfindung ermöglichen, ein Vielele-ment-Halbleiterbaustein bzw. -block zu schaffen, in dem zwei oder mehr Halbleiterelemente mit Hilfe von Zwischengliedern mit geringem elektrischen Widerstand verbunden sind. Diese Zwischenglieder sollen so angeordnet sein, dass sie den thermischen Widerstand zwischen den Halbleiterelementen und dem Bausteinkühlkörper nicht vergrössern.
Ferner soll ein verbesserter Halbleiterbaustein geschaffen werden, bei dem Hochtemperatur-Weichlote, z.B. solche, die hauptsächlich aus Blei bestehen, oder Hartlote verwendet werden können, womit hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auch bei wiederholten Temperaturdurchläufen gewährt ist.
Weiterhin soll der Halbleiterbaustein mit niedrigen Kosten und in leicht herzustellender Ausführung herstellbar sein.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruches gelöst.
Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbausteins gemäss der bisherigen Ausführung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbausteins gemäss einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Darstellung der Elemente eines Halbleiterbausteins gemäss einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 4 ist eine Aussenansicht eines Vielelement-Halbleiter-bausteins gemäss einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Bausteins nach Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Bausteins.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Bausteins der bisherigen Ausführung mit einem Halbleiterelement 10, das auf eine Wärmespannungs-Entlastungsplatte 12 aufgebracht ist. Das Halbleiterelement 10 und die Entlastungsplatte 12 sind mit einer Elektrode 14 über eine Lötschicht 16 verbunden. Die Elektrode 14 weist einen Abschnitt mit einem Verbindungsteil 18 auf, über den zweckdienlich die elektrische Verbindung zu einem anderen Halbleiterelement im selben Gehäuse hergestellt werden kann. Weiterhin ist die Elektrode 14 mit einer Isolierschicht 20 verbunden, die wiederum mit einem internen Kühlkörper 22 verbunden ist. Das Herstellen der Verbindung der Isolierschicht 20 mit dem Kühlkörper 22 wie auch der Verbindung der Elektrode 14 mit der Isolierschicht 20 erfolgt
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durch Metallisieren des Isoliermaterials, z.B. mit dem bekannten Mo-Mn-System, und dann durch das Verlöten des so metallisierten Isoliermaterials mit dem Kühlkörper und der Elektrode. Herkömmlicherweise werden die Elektrode und der Kühlkörper so ausgewählt, dass sie eine niedrigen thermischen und elektrischen Widerstand besitzen, und werden daher oft aus Kupfer hergestellt. Grenzschichten 24 und 26 zwischen der Isolierschicht 20 und der Elektrode 18 bzw. dem Kühlkörper 22, sind häufig Vielelement-Grenzschichten und werden hier nur aus Gründen der Darstellungsvereinfachung als einzelne Schichten gezeigt. Ein Leistungsanschluss 28 für grosse Ströme ist ebenfalls mit der Elektrode 14 durch Hartlöten oder dgl. verbunden und stellt die elektrische Verbindung zum unteren Anschluss des Bausteines dar. Die Verbindung zum oberen Kontakt des Halbleiterbausteins 10 wird herkömmlicherweise über eine biegsame Leitung 30, eine Scheibe 32 und eine Bondschicht 34 hergestellt. Die Scheibe 32 kann geeigneterweise eine Molybdän-Scheibe sein, die mit der Oberseite des Halbleiterelementes 10 verlötet ist. Gleichermassen kann die biegsame Leitung 30 mit der Scheibe 32 an einem Abschnitt verlötet sein, der hier nicht im Detail gezeigt wird.
Wärme, die im Halbleiterelement 10 erzeugt wird, muss durch die Entlastungsschicht 12, die Lötschicht 16, die Elektrode 14, die Grenzschicht 24, die Isolierschicht 20, die Grenzschicht 26, den Kühlkörper 22 und zuletzt durch die Grenzschicht zwischen Kühlkörper 22 und einem externen Kühlkörper fliessen, bevor sie an die Luft abgegeben wird. Das Vorhandensein einer grossen Anzahl der hierfür notwendigen Elemente und Grenzschichten zwischen ihnen vergrössert den Wärmewiderstand eines Bausteins nach der bisherigen Ausführung. Weiterhin führt die Vielzahl von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterelement 10 und dem äusseren Kühlkörper zur Erzeugung von beträchtlichen mechanischen Spannungen, die besonders an den Grenzschichten auftreten, wenn der Baustein sich während des Betriebes aufheizt und abkühlt.
Ein Halbleiterbaustein gemäss einem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Obwohl die Erfindung besonders nützlich ist für Halbleiterbausteine, die zwei oder mehr Halbleiterelemente in einem einzigen Gehäuse vereinen, und hier auch überlegene Ergebnisse erzielt werden, versteht es sich, dass die Anwendung sich nicht nur darauf beschränkt und auch Halbleiterbausteine mit nur einem Halbleiterelement umfasst. Entsprechend zeigt Fig. 2 ein einzelnes Halbleiterelement als Ausschnitt aus einem Zweielement-Halbleiterbaustein, das jedoch mit nur geringfügigen Änderungen, die im weiteren beschrieben werden, zum Beispiel ein Einelement-Halbleiter-baustein ergibt.
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Aufbaus nach Fig. 2, bei der die einzelnen Elemente leichter erkennbar sind. Gleiche Bezugsziffern in den Fig. 2 und 3 bezeichnen gleiche Elemente. Es ist ein Basisteil 40 vorgesehen, das durch hohe Wärmeleitfähigkeit charakterisiert ist und das aufgrund des Ausgleichs von Spannungen auf beiden Seiten der elektrisch isolierenden Schicht dünner als es bislang möglich war, ausgeführt werden kann, ohne dass unerwünschte Verformungen beim Bonden des Bausteins auftreten. Das Basisteil 40 wird typischerweise aus Kupfer hergestellt, da Kupfer eine hervorragende thermische Leitfähigkeit besitzt und relativ leicht in der gewünschten Form herzustellen ist. Obwohl Kupfer das gegenwärtig bevorzugte Material für das Basisteil 40 ist, können dabei auch andere Materialien eingesetzt werden, z.B. Stahl oder Kombinationen von zwei oder mehr Materialien, so z.B. Kupfer und Stahl, da diese Materialien billiger sind. Aufgrund der Widerstandsfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl kann ein relativ dünneres Basisteil verwendet werden, beispielsweise ein Basisteil aus Stahl, dessen Stärke zwischen Vi und !4 eines Basisteils aus Kupfer liegt.
Wegen seiner relativ geringen Dicke kann das Basisteil 40 leicht aus einer grösseren Materialplatte ausgestanzt und somit äusserst billig hergestellt werden, verglichen mit den bisherigen Herstellungsmethoden, bei denen die Dicke des Materials Lochen oder Stanzen zur Herstellung des Basisteils ausschliesst. Das Basisteil 40 dient als Kühlkörper für den Baustein und gleichzeitig zur Übertragung der Wärme an einen externen Kühlkörper, an dem es befestigt ist. Eine Isolierschicht 42 ist an ihrer Unterseite mit einer Bondschicht 44 belegt, die so ausgelegt ist, dass sie mit dem Basisteil 40 verträglich und durch Löten oder dgl. verbindbar ist. Entsprechend einem vorzugsweise gewähltem Ausführungsbeispiel ist die Bondschicht 44 eine direkt gebondete Kupferschicht. Die Isolierschicht 42 ist z.B. eine keramische Schicht aus AIu-miniumoxid oder Beryllerde oder einem ähnlichen Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das sich direkt mit der Schicht 44 verbindet, wie es z.B. in der US-PS 3 994 430 beschrieben wird, auf die hiermit Bezug genommen wird. Die Bondschicht 44 kann auch eine metallisierte Schicht sein, wie sie bei dem bekannten Molybdän-Mangan-Metallisierungs-prozess entsteht. Als weitere Möglichkeit kann jede Schicht aus einem Material eingesetzt werden, das mit geringem thermischen Widerstand eine Verbindung zum Basisteil 40 ergibt. Die obere Seite der Isolierschicht 42 ist mit einer stromverteilenden Schicht 46 mit geringem elektrischen Widerstand versehen, die die doppelte Funktion ausübt, einerseits, wie noch beschrieben wird, Strom von einer Halbleiteruntergruppe 50 zu einer Elektrode 48 zu leiten, und andererseits die thermische Verbindung zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der Isolierschicht 42 herzustellen. Vorzugsweise ist die stromverteilende Schicht 46 ebenfalls eine direkt gebondete Kupferschicht, die zur Verringerung der Spannungen in der Isolierschicht 42 gleichzeitig mit der Schicht 42 hergestellt wird und dieser sehr ähnlich ist. Bei dem vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiel ist jede der Schichten 44 und 46 ungefähr 0,25 mm dick und zeigt die Eigenschaften völliger Entspannung von Kupferschichten, wie es in der erwähnten ÜS-PS 3 994 430 beschrieben ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 42 mit der Stromverteilungsschicht 46 und der Bondschicht 44 entsprechend dem Direktbondverfahren verbunden, wobei die Kupferschichten 44 und 46 vor der Verbindung mit dem Basisteil 40 mit Nickel beschichtet und mit einer Lötschicht überzogen werden. Vorzugsweise wird auch das Basisteil 40 zur Verbesserung der Lötbarkeit nickelbeschichtet.
Zur Vergrösserung der Spannungsfestigkeit eines derartigen Bausteins sind die stromverteilende Schicht 46 und die Bondschicht 44 geringfügig kleiner ausgeführt als die Isolierschicht 42, wodurch längere Überschlags- und Kriechstrecken zwischen den beiden Schichten bzw. zwischen der stromverteilenden Schicht 46 und dem Basisteil 40 entstehen. Weiterhin sind, wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, die Ecken der stromverteilenden Schicht 46 mit einem Radius versehen, wodurch einerseits die Überschlags- und Kriechstrecken noch weiter vergrössert und andererseits die an den Ecken einer direkt mit keramischen Grenzschichten verbundenen Kupferplatte entstehenden Stellen erhöhter thermischer Belastung beseitigt werden. Die Elektrode 48 ist vorzugsweise eine Elektrode mit niedrigem elektrischen Widerstand, die entsprechend der Strombelastbarkeit des Bausteins hohe Ströme führt. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Elektrode 48 einen besonders niedrigen Wärmewiderstand besitzt, da sie nur zum Stromtransport dient und sich nicht im Wärmepfad zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und dem als Kühlkörper dienenden Basisteil 40 befindet. Vorzugsweise wird die
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Elektrode 48 aus demselben Material wie das Basisteil 40 hergestellt und hat damit Wärmeausdehnungseigenschaften, so dass sich die Spannungen auf den gegenüberliegenden Seiten der Isolierschicht 42 gleichen. Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 48 aus einem Material hergestellt werden, das eine gute elektrische Leitfähigkeit, aber im Vergleich zu Kupfer eine relativ schlechte thermische Leitfähigkeit besitzt. Aluminium hat sich als vorteilhaftes Material für die Elektrode 48 erwiesen, da seine elektrische Leitfähigkeit relativ hoch ist und seine Kosten im Vergleich zu Kupfer niedrig sind. Die Elektrode 48 besitzt einen Anschlussteil 52, über den, wie im weiteren beschrieben wird, die elektrische Verbindung zwischen mehreren Elementen in einem einzigen Bausteingehäuse erfolgt. Die Elektrode 48 ist weiterhin mit einer Öffnung 54 versehen, in die die Halbleiteruntergruppe 50 in direktem Kontakt mit der stromverteilenden Schicht 46 eingesetzt wird. Vorzugsweise wird die Öffnung 54 mit einem abgeschrägten Bereich 56 versehen, wodurch sich die Spannungsbelastbarkeit des Bausteins durch die Vergrösserung des Abstandes zwischen dem Halbleiterelement 58 und der Elektrode 48 vergrössert. Die Halbleiteruntergruppe 50 besteht aus einem Halbleiterelement 58 und einer Spannungsentlastungsplatte 60, die vorzugsweise schon vor dem Zusammenbau des Bausteins zusammenge-bondet werden. Die Verwendung solcher Halbleiteruntergruppen in Bausteinen für höhere Ströme ist bekannt. Als Material für die Spannungsentlastungsplatte wird gewöhnlich Wolfram oder Molybdän bei Verwendung eines Siliziumhalbleiterelements eingesetzt, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Materialien gut übereinstimmen. Der Kontakt zu der oberen Seite des Halbleiterelements 58 wirkt vorzugsweise über eine thermisch passende Scheibe 62 hergestellt, die vorteilhaft aus Molybdän oder Wolfram besteht und z.B. mit einer Nickel-Silber-Legierung geeignet beschichtet und mit der oberen Seite des Elementes 58 verlötet ist. Falls erwünscht, kann eine vorgeformte Lotscheibe 64 verwendet werden. Eine elektrische Zuleitung 66 wird mit der oberen spannungsentlastenden Scheibe 62 in herkömmlicher Manier durch Hartlöten bei einer relativ hohen Temperatur von ungefähr 700° C verbunden, bevor die Scheibe 62 mit dem Halbleiterelement 58 verbunden wird.
Der Zusammenbau des Basisteils 40, der Isolierschicht 42, auf die die stromverteilende Schicht 46 und die Bondschicht 44 schon vorher aufgebracht wurden, der Elektrode 48 und der schon vorher zusammengesetzten Untergruppe, die aus der Halbleiteruntergruppe 50, der spannungsentlastenden Scheibe 62, der Zuleitung 66 und den Elementen dazwischen besteht, wird vorzugsweise in einem einzigen Hochtempera-tur-Lötschritt erreicht, bei dem ein Lot aus 95,2% Blei, 0,05% Zinn und 2,5% Silber verwendet werden. Diese Montage kann geeigneterweise in einem Tunnelofen oder dgl. stattfinden. Die zu lötenden Berührungsflächen liegen dabei zwischen der Bondschicht 44 und dem Basisteil 40, zwischen der Elektrode 48 und der stromverteilenden Schicht 46, zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der stromverteilenden Schicht 46 und zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der Scheibe 62.
Durch einen Vergleich des Aufbaus des bekannten in Fig. 1 dargestellten Bausteins und des vorliegenden, in Fig. 2 gezeigten Bausteins kann leicht eine Anzahl von Vorzügen des letzteren aufgezeigt werden. Es ist ersichtlich, dass die Elektrode 48 nicht zu dem thermischen Widerstand zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und dem Basisteil 40 beiträgt, wohingegen die Elektrode 18 bei dem bekannten Halbleiter-Baustein im Wärmepfad zwischen der Halbleiteruntergruppe 10, 12 und dem Kühlkörper 22 liegt. Der Wärmewiderstand des herkömmlichen Bausteins vergrössert sich nicht nur durch das Vorhandensein der Elektrode 14 im thermischen
Pfad zwischen dem Halbleiterelement und dem äusseren Kühlkörper, sondern auch durch das Vorhandensein einer weiteren Grenzschicht 16 zwischen dem Halbleiterelement und der Elektrode. Bei dem Ausführungsbeispiel tragen 5 weder die Elektrode noch die Grenzschicht zum thermischen Widerstand des Bausteins bei. Ferner ist die Halbleiteruntergruppe 12 in dem bekannten Aufbau mit der Elektrode 14 verbunden, die, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fall ist, aus Kupfer besteht, dessen thermische Eigenschaften io sehr schlecht zu denjenigen des Siliziums und Molybdäns des Halbleiterelements bzw. der Trägerplatte passen. Als Material für die Elektrode 14 muss nichtgetempertes Kupfer verwendet werden, da für eine gute Verarbeitbarkeit erhebliche mechanische Festigkeit notwendig ist. Der Wegfall von nicht-15 getempertem Material zwischen der Halbleiteruntergruppe 50 und der relativ dünnen und hochgetemperten stromverteilenden Schicht 46 stellt eine erhebliche Verbesserung dar. Dementsprechend liegen die bei dem beschriebenen Baustein bei Temperaturdurchläufen auftretenden thermischen Spannun-20 gen erheblich unter den bisher möglichen. Dadurch erhöht sich nicht nur die Zuverlässigkeit des Bausteins erheblich, sondern, und das ist gleichermassen wichtig, es können auch Lötvorgänge bei hoher Temperatur unter Einsatz von Hochtemperaturloten beim Zusammenbau des Bausteins durchge-25 führt werden, wodurch sich die Widerstandsfähigkeit des Bausteins gegen thermische Ermüdung beträchtlich erhöht.
Fig. 4 ist eine Aussenansicht eines Zweielement-Halbleiterbausteins als Ausführungsbeispiel. Ein Gehäuse 70 aus Kunststoff oder einem anderen isolierenden Material ist mit 30 dem Basisteil 40 verbunden. Elektrische Anschlüsse 72, 74 und 76 ergeben Bausteinverbindungen für hohe Ströme, und Gateanschlüsse 78 und 80 ergeben Verbindungen für niedrige Steuerströme.
Der Aufbau des Bausteins gemäss Fig. 4 ist in der Schnitt-35 ansieht in Fig. 5 dargestellt, in der auch die Verbindung von zwei Halbleiterelementen in einem einzigen Gehäuse erkennbar ist.
Gleiche Elemente in den Fig. 2, 3,4 und 5 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anschlussstützen 28 und 84 für 40 hohe Ströme sind mit Elektroden 48 und 86 verbunden. Die Schraubanschlüsse 72, 74 und 76 sind mit den Anschlussstutzen 28 und 84 und der Zuleitung 66 mittels Niedertempera-turlötung zur Erzielung hoher mechanischer Festigkeit verbunden. Auf gleiche Weise sind die Gateanschlüsse 78 bzw. « 80 mit Gateelektroden 88 bzw. 90 der Halbleiterelemente 58 bzw. 92 verbunden. Eine Anzahl erheblicher Vorteile und weitere Details des in den Fig. 4 und 5 abgebildeten Gehäuses können der US-PS 963 807 entnommen werden.
Obgleich vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben 50 wurden, besteht keine Einschränkung hierauf. So könnte z.B. statt der hier bevorzugten relativ dicken, direkt gebondeten Stromverteilungselektrode aus Kupfer auch eine relativ dünnere stromverteilende Schicht eingesetzt werden, die z.B.
nach dem Molybdän-Mangan-Metallisierungsverfahren her-53 gestellt wird. Die Dicke der Metallisierungsschicht, die nach dem Molybdän-Mangan-Metallisierungsverfahren direkt erzielt werden kann, liegt in der Grössenordnung von 25 bis 50 iim, wohingegen direkt gebondete Kupferelektroden in einem einzigen Schritt mit einer Dicke von 250 am oder mehr 60 hergestellt werden können. Werden die dünneren stromverteilenden Schichten eingesetzt, so ist es vorteilhaft, eine elektrische Verbindung nicht nur zwischen der Elektrode 48 und der stromverteilenden Schicht 46, sondern auch direkt zwischen der Elektrode 48 und der Spannungsentlastungsplatte 60 her-65 zustellen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Verbindung kann leicht durch die Einführung eines Lötringes 96 in den die Spannungsentlastungsplatte 60 umgebenden Umfangs-raum 94 erreicht werden. Wenn der Raum zwischen der Elek-
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trode 48 und der Spannungsentlastungsplatte 60 genügend klein ist, d.h. im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm oder weniger liegt, so dringt beim Zusammenbau der Elemente Lot durch Kapillarwirkung in den Umfangsraum 94.
Zur Verstärkung dieser Kapillarwirkung wird die Spannungsentlastungsplatte 60 auf der Rückseite und zumindest bis in halbe Höhe der Ränder mit Nickel oder Nickel-Silber beschichtet. Ein Vergleich der thermischen Widerstände des Bausteins in der bekannten Ausführung und des als Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellten Bausteines zeigt, dass der
Wärmewiderstand, der zwischen der Übergangszone und dem Kühlkörper 22 gemessen wird, bei dem bekannten Baustein zwischen 0,22 und 0,28°C/W liegt, wohingegen der Wärmewiderstand bei dem Ausführungsbeispiel bei ungefähr 5 0,15°C/W liegt. Weiterhin wird die Lebensdauer bis zur thermischen Ermüdung zumindest eine Grössenordnung höher als die des bekannten Bausteins geschätzt. All diese Verbesserungen werden mit einem Baustein erreicht, dessen Herstellungskosten unter dem bisher möglichen liegen.
1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

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    PATENTANSPRÜCHE
    1. Halbleiterbaustein, gekennzeichnet durch ein Basisteil (40) zur Befestigung an einen externen Kühlkörper, eine auf das Basisteil (40) aufgebaute und mit diesem über eine Bondschicht (44) verbundene Isolierschicht (42), auf die eine nie-derohmige, stromverteilende Schicht (46) angeordnet ist, ein Halbleiterelement (58). auf der stromverteilenden Schicht (46), eine elektrisch und thermisch leitende Spannungsentlastungs-platte (60) auf der stromverteilenden Schicht (46) zur Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterelementes (58), und eine dieses mit Zwischenraum umgebende Elektrode (48), die auf die stromverteilende Schicht (46) aufgebracht ist und die elektrische Verbindung zum Halbleiterelement (58) herstellt, ohne zum Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterelement (58) und dem Basisteil (40) beizutragen.
  2. 2. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsentlastungsplatte (60) eine Schicht aus einem Material enthält, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten dem von Silicium nahekommt.
  3. 3. Baustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem von Silicium und dem der Isolierschicht (42) liegt.
  4. 4. Baustein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsentlastungplatte (60) eine Schicht aus Metall enthält, das aus der Gruppe mit Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
  5. 5. Baustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch. gekennzeichnet, dass die stromverteilende Schicht (46) eine elektrisch leitende Schicht ist.
  6. 6. Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stromverteilende Schicht (46) aus Molybdän-Mangan besteht.
  7. 7. Baustein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsentlastungsplatte (60) und die stromverteilende Schicht (46) mittels einer Lötschicht aus Hochtemperatur-Weichlot verbunden sind.
  8. 8. Baustein nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot ein Blei-Zinn-Lot ist.
  9. 9. Baustein nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (96) zur elektrischen Verbindung der Elektrode (48) mit den Seitenrändern der Spannungsentlastungsplatte (60).
  10. 10. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch verbindende Vorrichtung (96) ein ringförmiger Lötbereich zwischen der Spannungsentlastungsplatte (60) und der Elektrode (48) ist.
  11. 11. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (48) einen das Halbleiterelement (58) umgebenden, abgeschrägten Bereich (56) aufweist, der den Abstand zwischen dem Halbleiterelement (58) und der Elektrode (48) vergrössert, wodurch sich die Durchbruchsspannung zwischen diesen erhöht.
  12. 12. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (48) aus Aluminium besteht.
  13. 13. Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stromverteilende Schicht (46) aus einer Kupferschicht besteht, die zur Herabsetzung der Spannung zwischen der stromverteilenden Schicht (46) und dem Halbleiterelement (58) auf ein Mindestmass dient und hochgetemperten metallurgischen Zustand aufweist.
  14. 14. Baustein nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kupferschicht zwischen 0,1 und 0,4mm liegt. .
  15. 15. Baustein nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (40) ein Stahlteil ist.
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