DE2240468A1

DE2240468A1 - Gegen thermische ermuedung bestaendiges halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE2240468A1
Application number: DE2240468A
Authority: DE
Inventors: Gerald Kenneth Clymer; Arthur Edward Roswell
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2150488B1; AU4573272A; US3735208A; IT963530B; BE787811A; AU463308B2; MY7400320A; CA967291A; JPS4831056A; GB1341648A; FR2150488A1; NL7211633A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · aooo Düsseldorf 3D · Cecilienallee 76 · Telefon 4327 3Ξ

16„ August 1972 Unsere Akte: 27 481 Be/Fu.

RCA Corporation, 30 Rockefeiler'Plaza, New York. N₀Y₀ 10020 (V.St.A₀)

"Gegen thermische Ermüdung beständiges Halbleiterbauteil" Die Erfindung betrifft Leistungs-Halbleiterbauteile.

Bei Leistungs-Halbleiterbauteilen tritt ein ernstes, üblicherweise als "thermische Ermüdung" bezeichnetes Problem auf. Dieses Problem führt oft zum Versagen der Bauteile nach einer begrenzten Anzahl von Arbeitszyklen.

Die wesentlichste, zur thermischen Ermüdung beitragende Einflußgröße ist der Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Halbleitergrundkörper und Teilen des Bauteils, auf denen der Grundkörper gehaltert ist. Da das Bauteil aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut ist, wirken Spannungen auf den Halbleitergrundkörper, die Lötverbindung und das Substrat, auf dem der Grundkörper befestigt ist, ein. Wenn die Spannung hoch genug und eire hinreichend große Zahl von Arbeitszyklen durchlaufen ist, ist 'das Auftreten von Fehlern unvermeidbar. Diese Fehler treten üblicherweise als Trennung des Halbleitergrundkörpers vom Substrat oder als Unterbrechung einer der Kontaktanschlüsse au£. Die Spannung ist proportional zur Abmessung des Grundkörpers, zum während des Zyklus auftretenden Temperaturbereich und zu den Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten« Einflüsse, die

309 8 09/0834

-z-

zur Konzentration der Spannungen beitragen, beispielsweise Spalte . in der Lötverbindung, erhöhen die Ausfallwahrscheinlichkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauteil zu schaffen, das wesentlich geringere thermische Ermüdung als die bekannten Halbleiterbauteile zeigt.

Ausgehend von einem Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse, einem thermisch-leitenden Substrat und einem innerhalb des Gehäuses auf dem Substrat befestigten Halbleitergrundkörper wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Befestigung des Halbleitergrundkörpers auf dem Substrat als Lötverbindung mit einem Lot hohen Bleigehalts ausgebildet ist, und daß im Gehäuse eine im wesentlichen nicht oxydierende Atmosphäre vorgesehen ist.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung, die einen Querschnitt durch einen LeJsfcungstransistor zeigt, näher erläutert»

Der mit 10 bezeichnete Transistor weist ein wärmeleitendes Substrat 12, beispielsweise aus Stahl od.dgl., mit einer Hauptfläche 14 auf. Das Substrat 12 kann auch mit einem hochwärmeleitenden Sockel 16, beispielsweise aus Kupfer, versehen sein, der auf der Fläche 14 befestigt ist.

Auf der Oberseite 18 des Sockels 16 ist ein Transistor-Grundkörper 20 mittels einer Lötverbindung 22 hohen Bleigehalts befestigt. Als "Lot mit hohem Bleigehalt" wird ein Lot bezeichnet, dessen Bleigehalt 90-Gew.% oder mehr beträgt. Es hat sich herausgestellt, daß bestimmte der üblicherweise in Loten hohen Bleigehalts verwendeten Materialien die Eigenschaft haben, die Dehnbarkeit und

309ÖÖ9/0834

die Möglichkeit der Wärmebehandlung dieser Lote zu verringern, während andere Materialien wenig oder keinen Einfluß haben. Merkliche Mengen von Edelmetallen haben solch einen Einfluß, während Zinn nur geringfügige Auswirkungen zeigt. Ein für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignetes Lot besteht im wesentlichen aus 9O-Gew..% Blei, Rest Zinn. Dieses Lot wird auch für Anschlußpunkte 26 verwendet, die auf der Oberseite 24 des Grundkörpers 20 aufgebracht sind. Die Anschlußpunkte 26 bilden Ohm'sche Kontakte an Halbleiterbereichen innerhalb des Grundkörpers, beispielsweise an Emitter- und Basisbereichen.

Das Bauteil 10 weist auch Verbindungsanschlüsse zwischen den Kontaktpunkten 26 und außerhalb des Gehäuses gelegenen Punkten auf. Die Verbindungsanschlüsse umfassen metallische Stifte 28, die sich durch isolierende Scheiben 30 im Substrat 12 erstrecken und über Metallklemmen 27 mit den Kontaktpunkten 26 elektrisch verbunden sind.

Der Grundkörper 20 und die Verbindungsanschlüsse sind von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse ist vorzugsweise als metallische Glocke 32 ausgebildet, die auf die Oberfläche 14 des Substrats 12 aufgeschweißt ist.

Die innerhalb der das Gehäuse bildenden Glocke 32 befindliche Atmosphäre 34 ist erfindungsgemäß nicht oxydierend und besteht beispielsweise aus Stickstoff. Darüber hinaus ist es besonders erwünscht, daß diese Atmosphäre einen Säuerstoffgehalt von weniger als 100 ppm und einen Wassergehalt von weniger als 50 ppm besitzt.

Das.Bauteil 10 wird in folgender.Weise hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist ein Stahlsubstrat 12, welches von Anschlußstiften 28 durchsetzt ist, die auf bekannte Weise mechanisch abgedichtet und elektrisch isoliert sind. Ein Kupfersockel 16 wird dann durch Hartlöten auf dem Substrat .12 befestigt.

3 0 9 8 0 &£

Ein in bekannter Weise hergestellter Transistorgrundkörper 20 mit einer dünnen Leitschicht auf seiner Rückseite und Kontaktpunkten 26 auf seiner Oberseite wird dann mit der Lotschicht auf den Kupfersockel 16 aufge-

setzt. Danach werden die Metallklemmen 27 derart auf die Stifte 28 aufgelegt, daß sie in Kontakt Bit den Kontaktpunkten 26 stehen. Die Klemmen besitzen gewisse Federspannungι die zum Festhalten des Grundkörpers 20 in seiner Stellung während der im folgenden beschriebenen Ofenbehandlung dient. Auf den Stiften 28 werden dann in Kontakt mit den Klemmen 2? stehende Lotplättchen aufgesetzt. Die Baugruppe wird danach durch einen Lötofen geführt, dessen Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Lots jedoch unterhalb der des Siliziumgrundkörpers und der anderen Materialien liegt, line Temperatur zwischen 350 und 420°C ist beispielsweise geeignet. Anschließend wird die Baugruppe abgekühlt, wodurch der Grundkörper 20 mit dem Sockel 16 und die Kleaeen Zf mit den Kontaktpunkten 26 und den Stiften 28 verbunden werden»

Bei dieser Arbeitsstufe ist es üblich, sämtliche PN-übergänge, die bis zur Grundkörperoberseite 24 verlaufen, mit einer Silizium passivierenden Schicht, beispielsweise einem Silizium-Grenzschicht-Überzug abzudecken.

Das Bauteil 10 wird dann in eine Vorrichtung eingesetzt, in welcher die Atmosphäre einstellbar ist. Die metallische Glocke 32 wird in einer trockenen Stickstoffatmosphäre, beispielsweise in der oben beschriebenen Atmosphäre, über den Grundkörper gestülpt und anschließend auf dem Substrat 12 festgeschweißt. Die Grenzfläche zwischen Glocke und Substrat wird dann auf Dichtigkeit geprüft, um sicherzustellen, daß ein hermetischer Abschluß erzielt ist.

309809/0834

Es wurden identische Leistungs-Transistoren mit Lötverbindungen auf der Basis Blei-Zinn und Kontaktpunkten hergestellt, die zum Teil in trockener Luft und zum Teil gemäß der vorliegenden Erfindung in Stickstoff abgedichtet wurden. Die unter Luft verschlossenen Bauteile versagten infolge thermischer Ermüdung im Mittel nach 5.000 Arbeitszyklen, während die unter Stickstoff verschlossenen Bauteile im Mittel 50.000 Arbeitszyklen überstanden, ohne eine nennenswerte Anzahl von Ausfällen infolge thermischer Ermüdung zu zeigen.

Die mit dem erfindungsgemäß unter Stickstoff-Atmosphäre vorgenommenen Verschließen der Bauteile verbundenen Vorteile werden auf das Verhindern der Oxydation der Blei-Lot- Schicht und der Bleianschlußpunkte zurückgeführt. Es wird angenommen, daß das Verhindern der Bleioxidbildung dazu führt, daß die Lötverbindung nach jedem thermischen Zyklus ihren ursprünglichen Zustand wieder erreichen kann.

Bei den bekannten Bauteilen mit Bleiloten wurde durchweg Luft oder Stickstoff unkontrollierter Zusammensetzung als Abdichtmedium verwendet. Die thermischen Ermüdungseigenschaften anderer bekannter Bauteile, bei denen sogenannte "harte" Lote, z.B. Halbleiter-Edelmetall-Eutektika und Hochtemperatur-Hartlote verwendet wurden, werden anscheinend von der Abdichtatmosphäre nicht beeinflußt.

309809/083

Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York. Ν.Ύ. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

( 1.lHalbleiterbauteil mit einem Gehäuse, einem thermisch lei- tenden Substrat und einem innerhalb des Gehäuses auf dem Substrat befestigten Halbleitergrundkörper, gekennzeichnet durch eine Lötverbindung (22) hohen Bleigehalts zwischen Halbleitergrundkörper (20) und dem gegebenenfalls mit einem Sockel (16) versehenen Substrat und durch eine nicht oxydierende Atmosphäre innerhalb des Gehäuses (32).
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß die nicht oxydierende Atmosphäre weniger als 100 ppm Sauerstoff enthält.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die nicht oxydierende Atmosphäre weniger als 50 ppm Wasser enthält,
4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet , daß die nicht oxydierende Atmosphäre im wesentlichen aus Stickstoff besteht.
5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Lot hohen Bleigehalts mindestens 90-Gew.% Blei, Rest Zinn enthält.
6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der

309809/083 L

2240461

im Bereicli der Lötverbindung (22) vorgesehene Sockel (16) hohe thermische Leitfähigkeit "besitzt.
7. Bauteil nach Anspruch 6^ dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Sockel (16) aus Kupfer besteht«,
8. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ^ daß auf einer Oberfläche des Halbleitergrundkörpers (20) wenigstens ein aus dem Lot hohen Bleigehalts gebildeter Anschlußpunkt (26) vorgesehen ist, und daß Verbindungsanschlüsse (27, 28) den Kontaktpunkt bzw* die Kontaktpunkte mit außerhalb des Gehäuses (32) liegenden Anschlüssen verbinden·

9» Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t ₉ daß das Halbleiterbauteil aus einem Transistor besteht·

09-809708

Leerseite