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DE1226212B - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE1226212B
DE1226212B DEA38930A DEA0038930A DE1226212B DE 1226212 B DE1226212 B DE 1226212B DE A38930 A DEA38930 A DE A38930A DE A0038930 A DEA0038930 A DE A0038930A DE 1226212 B DE1226212 B DE 1226212B
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DE
Germany
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electrode plate
metal
semiconductor
metal body
soft solder
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Pending
Application number
DEA38930A
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English (en)
Inventor
Johannes Giger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC BROWN BOVERI and CIE
BBC Brown Boveri AG Germany
Original Assignee
BBC BROWN BOVERI and CIE
Brown Boveri und Cie AG Germany
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Publication date
Application filed by BBC BROWN BOVERI and CIE, Brown Boveri und Cie AG Germany filed Critical BBC BROWN BOVERI and CIE
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1226 212
Aktenzeichen: A 38930 VIII c/21 g
Anmeldetag: 4. Dezember 1961
Auslegetag: 6. Oktober 1966
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelementes mit einer auf einem Metallkörper weich angelöteten Auflage mittels einer Weichlotschicht verbunden ist und bei der der Metallkörper und die Elektrodenplatte unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
Die hohen Leistungsdichten, die insbesondere die Halbleitergleichrichter auf dem Starkstromgebiet aufweisen, verlangen die Abführung der im Halbleiterelement entstehenden Verlustwärme · durch geeignete Kühlvorrichtungen. Um einen guten Wärmekontakt des aktiven Halbleiterelementes eines Gleichrichters, eines Transistors od. dgl. zu erreichen, ist das Element mit einem massiven metallischen, meist aus Kupfer bestehenden Körper, beispielsweise dem Gehäuseboden, und mit einer Stromzuführung 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 thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallkörpers bzw. der Stromzuführung (beispielsweise Kupfer) und 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 thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie derjenige des Halbleiterkörpers bestehen. Für einen Siliziumkörper hat sich die Verwendung von Molybdän oder Wolfram als günstig erwiesen.
Bei bekannten Halbleiteranordnungen erfolgt die Verbindung der Elektrodenplatte mit dem Metallkörper bzw. mit der Stromzuführung ζ. Β. mit Hilfe eines Weichlotes auf Blei- oder Zinnbasis, welches die infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehenden Kräfte aufnimmt. Derartige Lötverbindungen zwischen Elektrodenplatte und Metallkörper sind einwandfrei, solange die Lötfläche klein ist. Bei größeren Lötflächen von beispielsweise mehr als 100 mm2 zeigen sich bei wechselnder thermischer Belastung der Halbleiteranordnung 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 Nachteiles und zur Erhöhung der Festigkeit der Lötverbindung ist es bekannt, den Metallkörper mit einer weich angelöte-Halbleiteranordnung
Anmelder:
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden
(Schweiz)
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6
Als Erfinder benannt:
Johannes Giger, Baden (Schweiz)
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 17. November 1961 (13 363)
ten Auflage zu versehen, mit der die Elektrodenplatte des Halbleiterelementes ebenfalls durch Weichlötung verbunden wird und deren thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen denjenigen des Metallkörpers und der Elektrodenplatte liegt. Diese Auflage kann dabei auch durch einen Bauteil ersetzt werden, der aus mehreren weich übereinandergelöteten Auflagen besteht, deren Ausdehnungskoeffizienten von Auflage zu Auflage abgestuft sind. Dadurch werden die in den Weichlotschichten auftretenden mechanischen Spannungen noch weiter vermindert.
Es ist weiter bekannt, das Material der Auflage, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen denjenigen des Metallkörpers und der Elektrodenplatte liegt, aus einem porösen Sinterkörper zu formen, dessen Poren mit Silber oder einem anderen als Lötmaterial verwendbaren Material gefüllt sind.
< Bei allen diesen bekannten Anordnungen bleibt jedoch besonders bei großflächigen Halbleiterkörpern eine beträchtliche Spannungsbeanspruchung des Weichlotes bestehen oder aber führt wie z. B. bei den genannten mehrschichtigen Auflagen zu einem großen Fabrikationsaufwand und zu einer Ver-
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schlechterung des Wärmeüberganges von der Elektrodenplatte auf den Metallkörper.
Bei der vorliegenden Halbleiteranordnung werden diese Nachteile vermieden.
Die eingangs angegebene Halbleiteranordnung ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß die Auflage ein poröser Sinterkörper ist, dessen Poren mit Weichlot gefüllt sind und dessen Porenvolumen in axialer Richtung von dem Metallkörper zu der Elektrodenplatte oder in radialer Richtung vom Rand ίο gegen die Mitte zu von etwa 80 bis 0%> angenähert gleichmäßig abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß bei Temperaturwechseln mechanische Spannungen in der Weichlotschicht nicht mehr oder nur in sehr geringem Ausmaß auftreten können, und zwar sowohl auf der Seite der Elektrodenplatte wie auch auf der Seite des Metallkörpers.
Im Falle axialer Änderung des Porenvolumens treten auf der Seite der Elektrodenplatte überhaupt keine mechanischen Spannungen auf, da dort das zo Porenvolumen null ist, also die gleichen Metalle mit einer Weichlotschicht verbunden sind, wenn Elektrodenplatte und Auflage aus dem gleichen Metall bestehen. Auf der Seite des Metallkörpers treten trotz unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten nur geringe mechanische Spannungen auf;, da das Porenvolumen dort sehr groß ist (etwa 80%), wegen der mit dem Weichlot gefüllten Poren eine wesentlich vergrößerte Lotschichtfläche entsteht und damit die auftretenden Kräfte auf einer größeren Fläche und ins Innere der Auflage verteilt werden.
Im Falle radialer Änderung des Porenvolumens treten an den Stellen der größten mechanischen, infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftretenden Kräfte, nämlich in den Randzonen der Auflage, ebenfalls wegen der vergrößerten Lotschichtfläche (großes Porenvolumen) nur noch stark verminderte mechanische Beanspruchungen auf.
Als Werkstoff für diese Auflage eignen sich Metalle oder Metallegierungen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen denjenigen der Elektrodenplatte und des Metallkörpers liegen. Besteht die Elektrodenplatte beispielsweise aus Molybdän (α = 5 ■ 10-6/grad) oder Wolfram (α = 4,5 · 10~6/ grad) und der' Metallkörper aus Kupfer (α = 16,5 ·■ 10~6/grad), so sind Chrom, Platin, Palladium, Gold, Eisen, Nickel sowie deren Legierungen geeignete Metalle.
Die Herstellung dieser Auflage läßt sich in bekannter Weise nach dem folgenden Verfahren durchführen. Es werden dem zu pressenden Metallpulver Stoffe wie Magnesiumkarbonat oder Bikarbonate1 zugegeben, die beim Sinterprozeß verdampfen und so Poren erzeugen, so daß ein Sinterkörper mit schwammartiger Skelettstruktur entsteht. Der Zusatz zum Metallpulver wird dabei so abgestuft, daß das Porenvolumen in axialer oder radialer Richtung in dem gewünschten Maß abnimmt.
An Hand der Figur wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Sie zeigt einen Halbleitergleichrichter, bei welchem die an den Gehäuseboden angrenzende Elektrodenplatte des Halbleiterelementes mit dem Gehäuseboden durch eine Lötverbindung gemäß der Erfindung verbunden ist. Der Gleichrichter ist im Zustand vor dem endgültigen Zusammenbau dargestellt, d. h. vor dem Anlöten des Gleichrichterelementes an den Gehäuseboden und vor dem Ver schließen des Gehäuses. Sinngemäß kann die gleiche Lötverbindung auch bei anderen Halbleiteranordnungen, wie Leistungstransistoren, verwendet werden.
Mit 1 ist der metallische, aus Kupfer bestehende Körper 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 Metall-Hartglasverschmelzung 6 miteinander mechanisch verbunden, wobei das Metall aus einer der bekannten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen besteht. Mit 7 ist das aus einer legierten Siliziumscheibe bestehende aktive Halbleiterelement bezichnet, an welches beidseitig Molybdänscheiben 8 und 9 als Elektrodenplatten ,angelötet sind. Die Abmessungen des Halbleiterelementes und der Elektrodenplatten sind, hierbei nicht maßstäblich eingezeichnet.
Zwischen der an die Elektrodenplatte 8 angrenzenden Fläche des Gehäusebodens und der genannten Elektrodenplatte befindet sich die Auflage 10, die ein poröser Sinterkörper ist und wie die Elektrodenplatte 8 aus Molybdän gefertigt ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das. Porenvolumen auf der an den Gehäuseboden angrenzenden Seite der Auflage etwa 80%. In axialer Richtung nimmt es angenähert gleichmäßig ab bis zu der an die Elektrodenplatte 8 angrenzenden Seite, welche eine dichte Molybdänoberfläche zeigt. Die Dicke der Auflage beträgt etwa 1 bis 2,5 mm. Zwischen die Auflageflächen und die angrenzenden Flächen des Gehäusebodens und der Elektrodenplatte, sowie zwischen die Elektrodenplatte 9 und die Kappe 5 der Litze 4 sind die Scheiben 11 aus Weichlot auf Zinn-Blei-Basis eingebracht. Anschlußbolzen und Gehäuseboden werden nun zusammengesteckt. Durch Erwärmen auf etwa 200° C wird das Weichlot zum Fließen gebracht, wobei es sich sowohl auf den zu verlötenden Flächen wie auch in den Poren der Auflage ausbreitet. Anschließend wird das Gehäuse gasdicht verlötet und durch den Pumpstengel evakuiert bzw. mit Schutzgas gefüllt.
Da der größte Teil der Verlustwärme durch den Gehäuseboden abgeführt wird, ist es im allgemeinen nicht nötig, auch zwischen Elektrodenplatte 9 und Kappe 5 der Litze eine Auflage gemäß der Erfindung vorzusehen.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung, bei der eine Elektrodenplatte eines Halbleiterelements mit einer auf einem Metallkörper weich, aufgelöteten metallischen Auflage mittels einer Weichlotschicht verbunden ist und bei der der Metallkörper und die Elektrodenplatte unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage ein poröser Sinterkörper ist, dessen Poren mit Weichlot gefüllt sind und dessen Porenvolumen in
axialer Richtung von dem Metallkörper zu der Elektrodenplatte oder in radialer Richtung vom Rand gegen die Mitte zu von etwa 80 bis 0% angenähert gleichmäßig abnimmt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus dem gleichen Metall wie die Elektrodenplatte besteht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus einem Metall besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen des Metallkörpers und demjenigen der Elektrodenplatte liegt.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1105 525; österreichische Patentschrift Nr. 190 593; schweizerische Patentschrift Nr. 341911.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 669/313 9.66 © Bundesdruckerei Berlin
DEA38930A 1961-11-17 1961-12-04 Halbleiteranordnung Pending DE1226212B (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH1336361A CH387809A (de) 1961-11-17 1961-11-17 Lötverbindung an einem Halbleiterelement

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DE1226212B true DE1226212B (de) 1966-10-06

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DE (1) DE1226212B (de)
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Also Published As

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GB965158A (en) 1964-07-29
CH387809A (de) 1965-02-15

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