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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung am Beispiel eines Halbleitergleichrichters
näher erläutert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wurde am Beispiel eines Halbleitergleichrichters erläutert.
Sie ist jedoch auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art wie Leistungstransistoren
und mehrschichtigen Dioden anwendbar.