DE1242759B

DE1242759B - Sintertragplatte fuer Halbleiterdioden

Info

Publication number: DE1242759B
Application number: DEST19658A
Authority: DE
Inventors: John C Kosco; Alfred J Schutz
Original assignee: Stackpole Carbon Co
Current assignee: Stackpole Carbon Co
Priority date: 1961-09-01
Filing date: 1962-08-31
Publication date: 1967-06-22
Also published as: GB1010222A; US3068557A

Description

DEUTSCHES Äfft PATENTAMT

DeutscheKl,: 21g-11/02

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1242 759

Aktenzeichen: St 19658 VIII c/21;

1242739 Anmeldetag: 31. August 1962

Auslegetag: 22. Juni 1967

Dioden werden aus einer sehr dünnen Halbleiterscheibe, z. B. aus Silizium oder Germanium, hergestellt. Wegen ihrer Zerbrechlichkeit in mechanischer und thermischer Hinsicht befestigt man sie auf einer Tragplatte, deren Rückseite mit einer Kühlvorrichtung, gewöhnlich einer Kupferplatte, verbunden ist. Solche Tragplatten sollen ideal einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe demjenigen des Halbleiters haben, sie müssen Wärmespannungen widerstehen, die an den Verbindungsstellen zwischen der Tragplatte und der Halbleiterscheibe und zwischen der Tragplatte und der Kühlvorrichtung auftreten, und sie sollen gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Wärme wirksam vom Halbleiter abführen zu können.

Bisher hat man gesintertes Molybdän oder Wolfram, deren Poren mit Gold, Silber oder Kupfer _ gefüllt sind, als Diodentragplatten verwendet. Sie gestatten zwar eine haltbare Verbindung mit der Halbleiterscheibe und mit Kupfer und sind für Germaniumdioden geeignet, aber ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten sind wesentlich höher, als es für Siliziumscheiben erwünscht ist. Hier soll die Diodenunterlage einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 2 · 10^-6/° C aufweisen. Auch ist die Wärmeleitfähigkeit von Molybdän und Wolfram ziemlich schlecht.

Demgegenüber wurde gefunden, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient passend gewählter Gemische von Silber und Graphit derartige Zusammensetzungen für die Verwendung als Diodentragplatte besonders geeignet macht. Derartige Gemische können aber nicht leicht (z. B. durch Hartlöten) mit dem Halbleiter und einer Kupferplatte verbunden werden. Deshalb wird die Lötbarkeit der genannten Silber-Graphit-Gemische dadurch erreicht, daß die gesinterte Silber-Graphit-Zusammensetzung beiderseits mit dünnen Silber- oder Kupferschichten überzogen wird.

Erfindungsgemäß ist eine poröse, gesinterte Tragplatte für Halbleiterdioden, bestehend aus zwei oder mehr Metallkomponenten, die zur Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten eine Porenfüllung aus Metallen und/oder Halbleitermaterialien enthält und beiderseits eine metallische Überzugsschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertragplatte aus den Komponenten Graphit und Silber oder Kupfer besteht und beiderseits eine Silberoder Kupferüberzugsschicht trägt.

Ein Gemisch gleicher Gewichtsteile von Silber und Graphit besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 3,6 · IO^-6/⁰ C, was für die Sintertragplatte für Halbleiterdioden

Anmelder:

Stackpole Carbon Company,
St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:
John C Kosco,

Alfred J. Schutz, St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. September 1961
(135 461)

Anbringung von Siliziumscheiben befriedigend ist. Gegebenenfalls können noch niedrigere Koeffizienten durch einen geringeren Silberanteil erzielt werden. Höhere Wärmeausdehnungskoeffizienten, die für andere Halbleiter (z. B. Germanium) geeignet sind, können durch größere Mengen von Silber erreicht werden. So hat z. B. eine Zusammensetzung aus 60 Gewichtsprozent Silber und 40 Gewichtsprozent Graphit einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6,7 · IO-⁶/⁰ C Für die Zwecke der Erfindung sind Zusammensetzungen zwischen 40 und 70 Gewichtsteilen Silber mit 60 und 30 Gewichtsteilen Graphit insbesondere geeignet. Auf diese Weise kann der Ausdehnungskoeffizient den betreffenden Halbleitern angepaßt werden.

Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Halbleitertragplatten nach den bekannten Methoden der Pulvermetallurgie hergestellt. Man bringt also Silberpulver in dünner Schicht in eine Form, bildet darauf eine Schicht aus einem innigen Gemisch von gepulvertem Silber und gepulvertem Graphit und bringt schließüch darauf eine weitere Schicht aus Silberpulver an. Diese Schichtenfolge wird dann einem hohen Druck und anschließend einem Sinterungsprozeß bei hoher Temperatur in einer neutralen Atmosphäre unterworfen. Die gesinterte Schichtenfolge wird dann unter hohem Druck geprägt, so daß sich ein zusammenhängender Körper

709 507/414

Claims

aus den drei Schichten ergibt. Die Anordnung kann auch in bekannter Weise heiß gepreßt werden, so daß die Sinterung während des Heißpressens vor sich geht. Das Verfahren ist nicht kritisch. Beispielsweise wird zuerst eine etwa 0,13 bis 0,25 mm dicke Silberschicht von einer Teilchengröße mit der Siebnummer 325 nach Tyler in eine Form eingebracht, der Preßstempel wird heruntergedrückt, dann wird eine Schicht aus einem innigen Gemisch von Silber und Graphit mit einer Teilchengröße von je etwa 325 (Tylersieb), bestehend aus gleichen Gewichtsteilen der beiden Bestandteile, aufgebracht, der Preßstempel wird wieder herabgelassen, und schließlich wird eine ähnliche Silberpulverschicht wie anfangs auf der Silber-Graphit-Schicht ausgebildet. Das Ganze wird dann bei etwa 1,4 bis 5,6 t/cmtablettiert. Die Tabletten werden bei etwa 800° C in neutraler Atmosphäre oder im Vakuum gesintert, woraufhin die gesinterten Tragplatten bei 2,8 bis 5,6 t/cm-' geprägt werden. Die verschiedenen Schichtdicken hängen von den Anforderungen ab. Im allgemeinen beträgt für eine Diodentragplatte mit einem Durchmesser von 10 bis 20 mm die Dicke etwa 3,75 mm. Für eine solche Tragplatte können die Silberschichten etwa 0,13 bis 0,26 mm dick sein, so daß die Sinterplatte aus Silbergraphit eine Dicke von etwa 3,6 bis 3,2 mm aufweist. Es sind jedoch auch Tragplatten mit Silberdicken zwischen 0,05 und 0,5 mm hergestellt worden. In manchen Fällen erscheint es vorteilhaft, wenn die mit der Kühlvorrichtung zu verbindende Silberschicht dicker als die an die Halbleiterscheibe angrenzende Silberschicht ist, um Wärmespannungen zwischen der Silberschicht und der Kühlvorrichtung zu verringern. Die erfindungsgemäß hergestellten Diodentragplatten erfüllen also die Forderung nach einem Ausdehnungskoeffizienten in der Nähe desjenigen des Halbleiters. Außerdem lassen sie sich leicht hart und weich an die Halbleiterscheibe und die Kühlvorrichtung (z. B. Kupfer) anlöten und widerstehen ausreichend Wärmespannungen an den Lötstellen. Außerdem haben sie den Vorteil, daß ihre Wärmeleitfähigkeit höher als diejenige von Molybdän und Wolfram ist. Das Anlöten geschieht in bekannter Art mit Hartoder Weichlot in neutraler Atmosphäre oder unter Vakuum. Statt auf dem Wege der Pulvermetallurgie können die Silberschichten auch in bekannter Weise durch Flammenspritzen von Silber auf die beiden Oberflächen des vorgesinterten Silber-Graphit-Gemisches hergestellt werden. Statt Silber-Graphit-Gemischen können gegebenenfalls auch Kupfer-Graphit-Gemische in der gleichen Art hergestellt werden. Die hierbei zu verwendede Kupfermenge entspricht volumenmäßig der Silbermenge bei der Herstellung der Silber-Graphit-Gemische. Aus dem Verhältnis der spezifischen Gewichte ergibt sich also, daß dem oben angegebenen Silberanteil ein Bereich von 38 bis 69 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Graphit, entspricht. Auch können eine oder beide Flächen der Sinterplatte zum Zweck der Lötbarkeit mit Kupfer statt mit Silber überzogen werden. Patentansprüche:

1. Poröse, gesinterte Tragplatte für Halbleiterdioden, bestehend aus zwei oder mehr Metallkomponenten, die zur Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten eine Porenfüllung aus Metallen und/oder Halbleitermaterialien enthält und beiderseits eine metallische Überzugsschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertragplatte aus den Komponenten Graphit und Silber oder Kupfer besteht und beiderseits eine Silber- oder Kupferüberzugsschicht trägt.

2. Tragplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Sinterplatte 40 bis 70 Gewichtsteile Silber, Rest Graphit enthält.

3. Tragplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterplatte 38 bis 39 Gewichtsteile Kupfer, Rest Graphit enthält.

4. Tragplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschichten aus gesintertem Silberpulver bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Tragplatte nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf eine dünne Schicht aus Silber oder Kupfer ein inniges Gemisch aus Graphitpulver und Silber- oder Kupferpulver im vorgeschriebenen Gewichtsverhältnis aufbringt, auf diese Schicht eine weitere Schicht aus Silber oder Kupfer aufbringt und das Ganze verpreßt, sintert und verdichtet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Sintern gleichzeitig hohen Druck und hohe Temperatur anwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberzugsschichten aus Silber- bzw. Kupferpulver hergestellt und gleichzeitig mit der Graphit enthaltenden Mittelschicht gesintert werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 190 593.