DE2248303C2 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist Insbesondere handelt es sich um ein als Hochfrequenz-Leistungstransistor verwendbares Bauelement

In elektronischen Geräten verwendete Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungstransistoren, geben trotz kleiner Abmessungen hohe Leistungen ab und erzeugen dementsprechend im Betrieb relativ große Wärmemengen. Mit der Temperatur ändern sich aber auch die Eigenschaften des Bauelementes selbst, welches daher zur Sicherstellung seiner normalen Funktion unbedingt unterhalb spezifischer Temperaturen (im Falle von Siliziumdioden 450°C) gehalten werden muß. Man verwendet daher Aufbauten, v/elche die im Betrieb entwickelte Wärme so schnell bnd unvollständig wie möglich an das Chassis zur Abstrahlung ableiten. Zu diesem Zweck verwendet man Keram'kmaterialien hoher Leitfähigkeit im Transistorgehäuse.

Aus der DE-OS 20 28 821 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem das eigentliche Halbleiterelement selbst ohne Isolierzwischenträger mit Hilfe eines Gold-Silizium-Eutektikums unmittelbar auf einen im übrigen als Befestigungsflansch ausgebildeten Kupferbolzen aufgelötet ist. Weiterhin ist aus der L'S-PS 34 79 570 ein Hochfrequenz-Leistungstransistor bekannt, bei welchem auf einem Kupferträger ein Keramikisolierträger befestigt ist, auf dem in der Mine das Halbleiterplättchen und um dieses herum metallische Anschlußblöcke aufgelötet sind. Nach Verbindung der Anschlußflächen des Halbleiterplättchens mit den Anschlußblöcken wird dieser Aufbau mit Silikon derart vergossen, daß die Silikoneinkapselung eine Fortsetzung des Kupferträgers bildet und auf der Oberseite des Bauelementes mit den Anschlußblöcken abschließt Die im Halbleiterplättchen erzeugte Wärme wird über den Kerarnikisolierträger zum wesentlich größeren Kupferträger abgeführt An den großflächigen Lötverbindungen des aus Aluminiumoxid oder Berylliumkeramik bestehenden Isolierträgers mit dem Halbleitersubstrat und den Kupferteilen ist er wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Keramikmaterial bei der im Betrieb auftretenden Erwärmung erhöhten mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die zu einer Bildung von Rissen oder Brüchen im Keramikmaterial führen können.
Auch aus der DE-OS 18 09 716 ist ein Isolierzwischenträger aus Berylliumoxid zur elektrischen Isolierung des Halbleiterelementes gegenüber dem Kupferbolzen bekannt, wobei dieser Berylliumoxidträger über eine relativ große Verbindungsfläche an dem Kupferbolzen befestigt ist. Wegen nicht übereinstimmender thermischer Ausdehnungskoeffizienten neigt eine solche große Verbindungsfläche jedoch zur Bildung von Rissen und Brüchen. Ähnliches gilt für die elektrischen Anschlußleiter. Solche Risse und Brüche beeinträchtigen aber nicht nur die Wärmeabführung vom Halbleiterelement, sondern geben auch Anlaß zu Leckstellen, so daß der hermetische Abschluß des Halbleiterelementes im Gehäuse auf lange Zeit nicht garantiert werden kann.
Ein in der ähnlichen üblichen Technik aufgebauter Transistor sei zum Vergleich mit der später zu beschreibenden Erfindung nachfolgend näher erläutert Ein Isolierträger b aus Berylliumkeramik ist mit einem Lot c aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung auf die gesamte Oberseite eines aus hochreinem Kupfer bestehenden Metallträgers a gelötet. Ein Halbleiterelement e ist mit einem Lot /"aus einer eutektischen Goldlegierung auf die Oberseite des Isolierträgers b aufgelötet. Weiterhin besteht eine eutektische Silber-Kupfer-Lötverbindung zu den elektrisch leitenden Flächen h, welche die benötigte Anzahl von Leitungen g auf die Oberseite des Isolier trägers b metallisieren. Weitere elektrisch leitende Bereiche h sind mit dem Halbleiterelement e über Drahtverbindungen / verbunden. Zum hermetischen Verschließen des soweit gebildeten Gehäuses mit einer Kappe wird ein metallisches Schmelzgefäß mit einer Siliziumharzbindung gefüllt, das Bauelement wird in das Gefäß hineingehalten und der Kunststoff unter Anwendung von Hitze zur Bildung der Verbindung geschmol-

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zen. Dabei wird eine Kappe d vom Querschnitt eines genden Beschreibung angegeben. Weiterbildungen der umgekehrten U luftdicht zu einem Stück mit dem restli- Erfindung sind in den Unteransprüc hen gekennzeichnet, chen Gehäuse verbunden, so daß die Teile die in F i g. 5 Die Erfindung bringt erhebliche Vorteile, indem sie gezeigte Anordnung bilden. Ein derartiger Aufbau nicht nur die große Verbindungsfläche zwischen uem schließt nicht nur das Halbleiterelement e durch die 5 Isolierträger aus Berylliumkeramik und dem Kupferbol-Kappe d von der Außenluft ab, sondern erlaubt auch zen gegenüber dem Stande der Technik ganz erheblich eine relativ schnelle Abführung der im Betrieb entste- zu verkleinern gestattet, sondern gleichzeitig auch die henden Wärme vom Element e zu einem nicht darge- relativ großen Verbindungsflächen der elektrischen Anstellten Chassis über den wärmeleitenden Isolierträger Schlußleiter mit dem Berylliumkeramikträger, welche b und den Metallträger a. 10 ebenfalls zur Rissebildung neigen, gänzlich vermeidet. Ein in dieser Weise aufgebauter Leistungstransistor Erfindungsgemäß trägt nämlich der Berylliumkeramikist jedoch nedi hinsichtlich der folgenden Punkte pro- Isolierträger nur das Halbleiterelement und kann daher blematisch. in seinen Abmessungen (unter Berücksichtigung des an· hand von Fig.4 veranschaulichten Wärmeausbrei-

1. Zuverlässigkeit im gewünschten Betriebsverhalten: 15 tungskegels) bis in die Größenordnung von dessen Flä-Die durch Wärmeschmelzung einer Silikonharz- chenausdehnung schrumpfen. Dadurch erhält man nicht verbindung erhaltene Kappe d ist nur in begrenz- nur eine Verkleinerung der Verbindungsfläche zwitem Maße luftdicht (nämlich maximal 10-⁸ Torr), so sehen Berylliumträger und Kupferbolzen, bei welcher daß im Laufe der Jahre des Betriebs Verschlechte- die möglichen Verschiebungsampiituden zwischen den rupgen eintreten, die insbesondere unter klimati- 20 beiden Materialien wesentlich kleiner sind und prakschen und Temperatureinflüssen voi «inschreiten. tisch nicht mehr zu einer Rissebildung, geschweige denn Dadurch werden aber die Eigenschaften des Bau- zu Brüchen, führen, während die entsprechend gefährelements im Laufe der Jahre verschlechtert, und die deten Verbindungsstellen mit den Anschlußleitern an Zuverlässigkeit des Bauelementes läßt nach. dieser Stelle überhaupt entfallen, sondern man spart

2. Beeinträchtigungen der mechanischen Festigkeit 25 auch Berylliummaterial.

infolge wiederholter thermischer Belastungen: Ein Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung verwendet Transistor der erwähnten Art muß auch extremen die Erfindung zwei Gehäuseringe, die zu einem einzigen Temperaturbedingungen in ausreichendem Maße Gehäusekörper zusammengesintert werden, wobei widerstehen können. Aus diesem Grunde werden gleichzeitig die elektrischen Anschlußflächen durch die solche Transistoren wiederholten Abkühl- und Er- 30 Verbindungsstelle hindurch in einer Weise gebildet werhitzungstesten im Temperaturbereich von —60° den, daß keine spätere Rissebildung mehr zu befürchten bis +150° C unterworfen. Bei dem vorbeschriebe- ist Außerdem ist dieser zusammengesinterte Gebäusenen Transistor befindet sich der Isolierträger b in körper ebenfalls über eine vergleichsweise kleine VerKontakt mit der ganzen Oberfläche des Metallträ- bindungsfläche am Kupferbolzen befestigt, so daß auch gers a. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des 35 hier nicht nur keine Rissebildung zu befürchten ist, son-Kupfers da Metallträgers ist jedoch etwa zweimal dern trotzdem eine mechanisch sehr stabile Verbindung so groß wie derjenige des Berylliums des Isolierträ- entsteht

gers (der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstel-

beträgt 15 · 10~⁶ gegenüber 7 ■ 10-⁶). Daher kon- lungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es

zentrieren sich infolge der unterschiedlichen War- 40 zeigt

meausdehnung die mechanischen Belastungen auf F i g. 1 einen Schnitt durch einen nach der Erfindung

die Zwischenfläche zwischen den beiden Trägerns ausgebildeten Hochfrequenz-Leistungstransistor;

a und b, wenn die wiederholten Kühl- und Heizfol- Fig. 2 eine Ansicht gemäß der Schnittlinie H-II in

gen durchgeführt werden, und da die Kontaktflä Fig. 1;

chcn der Träger a und b sich über die gesamte 45 F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1;

Verbindungsfläche erstrecken, führt eine Wieder- Fig.4 eine Veranschaulichung der Größenverhält-

holung solch strenger Temperaturtesis zu Brüchen nisse zwischen Halbleiterelement und Isolierträger und

und Rissen infolge der mechanischen Beanspru- Fig.5 einen teilweise gebrochenen Querschnitt

chung an der einen Seite des Isolierträgers b und zu durch einen Hochfrequenz-Leistungstransistor üblicher

einer Verkürzung der Lebensdauer des Transistors. 50 Art.

Die gleichen Verhältnisse liegen an den Verbin- In den F i g. 1 und 2 ist ein nichtoxydierender Kupferdungsstellen des Isolierträgers b mit den Leitungen bolzen als Metallträger 1 dargestellt. In der Mitte der g vor. Die Ergebnisse der Abkühl- und £rhitzungs- Oberseite des Metallträger 1 ist ein Isolierträger 2 zur tests haben schließlich gezeigt, daß solche Transi- Halterung des Bauelementes 4 mit einem Lötmittel 3 stören gegenüber Wärmebeanspruchungen außer- 55 aus einer üblichen eutektischen Goldlegierung bei etwa ordentlich anfällig sind. 800°C angelötet worden. Der Isolierträger 2 ist schei-Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Halblei- benförmig ausgebildet und besteht aus gut wärmeleiterbauelement zu schaffen, welches gegen Brüche und tendem Keramikmaterial, beispielsweise aus Beryllium-Risse infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnun- keramik. Der Isolierträger 2 hat einen etwas kleineren gen von Isolierträger und Metallträger unempfindlich 60 Durchmesser als im Falle der F i g. 5, so daß der Metallist Weiterhin soll es unempfindlich gegen Brüche und träger nur innerhalb eines kleinen Bereichs etwa in der Risse an den Verbindungssteilen der Träger mit den Mitte seiner Oberseite mit ihm verbunden ist. Bei dem Stromanschlußteilen sein. Gleichzeitig soll auch die dargestellten Ausführungsbeispäel ist der Durchmesser Luftdichtigkeit des hermetischen Abschlusses verbes- des Isolierträgers etwa halb so groß wie derjenige des sert werden. 65 Metallträgers. Gemäß F i g. 4 verläuft von dem Halblei-Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des terelement 4 ein Wärmeausbreitungskegel nach unten, Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Die sich dessen Seitenflächen etwa einen Winkel θ = 45° haben, hieraus ergebenden Vorteile sind im Zuge der nachfol- Die Unterfläche D des Isolierträgers 2 ist gleich groß

oder gegebenenfalls etwas größer als die Unterfläche des durch den Isolierträger verlaufenden Kegels, dessen Höhe t ist.

Ein erster isolierender Gehäusering 6 umgibt den Isolierträger 2 außerhalb in einem kleinen Abstand 10, ohne ihn zu berühren. Ein zweiter isolierender Gehäusering 7 ist mit einem Teil der Oberseite des Gehäuseringes 6 über eine elektrisch leitende Anschlußfläche 9 verbunden. Der Gehäusering 6 dient zur Befestigung am Metallträger 1 und zur Verbindung der Leitungen, während der Gehäusering 7 der Befestigung eines Dekkels 8 dient. Die beiden isolierenden Gehäuseringe 6 und 7 verhalten sich nicht nur günstiger hinsichtlich der Wärmeleitung, sondern zeichnen sich auch durch besondere mechanische Festigkeit (bei hohen Temperaturen) aus. Sie bestehen aus Keramikmaterial, welches sich zu einem Körper sintern läßt, beispielsweise zusammengesintertes Aluminiumkeramikmaterial. Die beiden Ringe werden derart miteinander vereinigt, daß zwei Aluminiumausgangsmaterialien, die durch ein übliches Mehrschichtverfahren in zylindrische Formen geschmolzen worden sind, zu einem Körper zusammengesintert v/erden, wobei einer unter Zwischenlage eines elektrisch leitenden Materials ai. den Anschlußflächen 9 über den anderen gelegt und beide zusammengesintert werden.

Im einzelnen wird ein ringförmiges, elektrisch leitendes Flächenteil (hier mit vier Anschlüssen dargestellt) mit Anschlußflächen 9 und Unterbrechungen 13 gemäß Fig.2 durch Aufdrucken einer Wolframpaste oder Wolfram-Mangan-Legierungspaste auf die Oberfläche des Gehäuseringes 6 aus einem unbearbeiteten Aluminiumkeramikmaterial ausgebildet, und der Gehäusering 7 aus einem ebensolchen Material wird zur Befestigung des Deckels geeigneter Höhe auf das so gebildete Isolierteil aufgelegt. Dann werden die Gehäuseringe 7 und 6 unter einer reduzierenden Atmosphäre von 1600 bis 1700⁰C zu einem Körper zusammengesintert, wobei die gedruckten Anschlußflächen 9 metallisieren, die dann auf ihren freiliegenden Oberflächen mit einer Nickelschicht 91 plattiert und dann bei etwa 10Q0°C in reduzierender Atmosphäre nochmals gesintert werden. Anschließend werden sie mit einer dünnen Schicht eines Lots 5 aus einer eutektischen Gold-Legierung bei 300⁰C überzogen. Auf diese Weise wird auch der mit dem Gehäusering 7 zu einem Stück verbundene Gehäusering 6 mit einem Lot 3 aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung auf der Oberseite des Metallträgers 1 befestigt. Mit Hilfe eines Lots 5 aus einer eutektischen Gold-Legierung wird das Halbleiterelement 4 auf der Oberseite des Isolierträgers 2 befestigt. Ferner wird das Halbleiterelement 4 mit Hilfe von Drähten 11 mi» den einzelnen leitenden Anschlußflächen 9 verbunden. Mit den Anschlußflächen 9 des Gehäuseringes 6 sind ferner vier Leiter 12 über eine Lötschicht 5 verbunden, die unter Verwendung eines eutektischen Silber-Kupfer-Legierungslots 3 auf den Anschlußflächen 9 ausgebildet sind.

Nachdem die Verbindungen in dieser Weise hergestellt sind, v/ird der scheibenförmige Deckel 8 mit einem eutektischen Gold-Legierungslot 5 auf der Oberseite des Gehäuserings 7 befestigt, so daß ein luftdichter Abschluß entsteht, womit der Aufbau beendet ist. Für den luftdichten Deckel 8 wird ein Material wie beispielsweise eine Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung verwendet, die außerordentlich dicht ist und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der etwa gleich demjenigen von Aluminiumkeramikmaterialien ist.

Auch lassen sich Metalle wie Molybdän oder Wolfram oder auch andere Keramikmaterialien und Glas von gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Aluminiumkeramikmaterial verwenden, um einen hermetischen Abschluß von außerordentlich großer Luftdichtigkeit (schätzungsweise 10-¹⁰ Torr) zu erreichen.

Bei der beschriebenen Ausbildung eines Leistungstransistors wird die Verlustwärme vom Halbleiterelement 4 vom Isolierträger 2 aus Berylliumkeramik, welches unmittelbar unter dem Element 4 angeordnet ist, durch den kupfernen Metallträger 1 zum Chassis abgeleitet, so daß sich eine geeignete Betriebstemperatur für das Bauelement 4 einstellt. Ein wesentliches Merkmal des hier beschriebenen Halbleiterbauelementes besteht darin, daß der Isolierträger 2 so klein gemacht wird, daß er nicht die gesamte Oberseite des Metallträgers berührt, sondern mit diesem nur innerhalb eines möglichst kleinen Bereiches in Kontakt tritt, der ausreichend ist, um die Hitze auf die Mittelfläche des Metallträgers abzuleiten. Ferner ist die Verwendung eines Gehäuseringes 6 aus Aluminiumkeramik von Bedeutung, welcr.es die gleichen guten Wärmeleitungseigenschaften und mechanischen Eigenschaften wie das Material des Isolierträgers 2 hat und auch im thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem Berylliumkeramikmaterial übereinstimmt und dennoch eine doppelt so große Festigkeit erbringt, da es den Isolierträger 2 nicht berührt, sondern im Abstand von ihm ist Ferner trägt der Gehäusering 6 die Leitungen 12. Auch bringt die Sinterung des Gehäuseringes 6 mit dem Gehäusering 7 gleicher Eigenschaften zu einem einzigen mehrschichtigen Teil Vorteile hinsichtlich des hermetischen Abschlusses im oberen Teil des Gehäuses des Deckels 8 aus luftdichtem Material.

Die Verringerung der Berührungsfläche zwischen dem Isolierträger 2 und dem Metallträger 1 führt bei dem hier beschriebenen Aufbau zu einer wesentlichen Verringerung der thermischmechanischen Belastung an der Zwischenfläche zwischen den beiden Teilen, welche durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Berührungsfläche bestimmt ist, so daß der Ausbildung von Brüchen und Rissen entgegengewirkt wird, welche durch die Konzentration der Belastung bei wiederholten Kühl- und Erhitzungstests an der Endfläche des Isolierträgers entstehen würden. Andererseits zeichnet sich der Gehäusering 6, an welchem die Leitungen 12 befestigt sind, durch verbesserte Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit aus, so daß dementsprechend, selbst wenn der Gehäusering 6 sich in Kontakt mit der Oberseite des Metallträgers 1 und den Leitungen 12 über einen relativ großen Flächenbereich befindet und an ihnen befestigt ist und ein großer Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen diesen Bauteilen besteht, nicht nur die Überlegenheit dieser Teile hinsichtlich der mechanischen Festigkeit die Entstehung von Brüchen und Rissen verhindert, sondern auch der zwischen dem Isolierträger 2 und dem Gehäusering 6 bestehende Zwischenraum thermische Beeinflussungen zwischen diesen beiden Teilen verhindert.

Der vorbeschriebene Transistor zeigt infolge seiner erläuterten Konstruktionsmerkmale wesentlich geringere thermisch bedingte mechanische Beanspruchungen als bekannte Transistoren. Infolge der beschriebenen Konstruktion kann das bisher angewendete Verfahren des Einfüllens von Kunstharzpulver unter Hitze und Druck zum hermetischen Abschluß des Gehäuses und

des Deckels aufgegeben werden, stattdessen kann ein plattenförmiger Deckel 8 verwendet werden, welcher einen hermetischen Abschluß ermöglicht, so daß der Transistor auch über lange Betriebszeiten luftdicht abgeschlossen bleibt und sich in seinen Eigenschaften nicht verändert. Die eingangs unter Punkt 1) und 2) erwähnten Probleme, welche bei üblichen Transistorgehäusen auftreten, lassen sich auf diese Weise zufriedenstellend lösen.

Wenn vorstehend die Erfindung auch am Beispiel eines Hochfrequenz-Leistungstransistors beschrieben ist, so eignen sich ihre wesentlichen Merkmale auch zur Herstellung von anderen Halbleiterbauelementen, beispielsweise Thyristoren oder Triacs oder sonstige zur Leistungsregelung verwendeter Elemente, ferner für integrierte Leistungsschaltungen. Die entsprechenden Materialien, Teileformen und Größen des Metallträgers 1, des Isolierträgers 2, der Gehäuseringe 6 und 7 und des Deckels 8 sowie das Material der Leitungen 12, Materialform und Anzahl der Anschlüsse der elektrisch leitenden Anschlußflächen 9, die Metallisierungsverfahren, das Verlöten der Teile usw. sind dann im Rahmen der Erfindung entsprechend anzupassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem auf der Oberfläche eines Metaliträgers befestigten Isolierträger aus Berylliumkeramik, auf dem ein Halbleiterelement befestigt ist, und mit einem durch einen Deckel abgeschlossenen Gehäusering aus Aluminiumkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusering (6) unmittelbar auf dem Metallträger (1) befestigt und derart bernessen ist, daß er den Isolierträger (2) mit Abstand umgibt und mit seiner Oberseile über diesen hinausragt, und daß auf der Oberseite des Gehäuseringes (6) unter teilweiser Freilassung dort ausgebildeter elektrisch leitender Anechlußflächen (9) ein zweiter Gehäuaering (7) aus Aluminiumkeramik angeordnet und mit dem ersten Gehäusering (6) zu einem einzigen Gehäusekörper vereinigt ist

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche des Isolierträgers (2) gleich groß oder geringfügig größer als die Bodenfläche des Wärmeausbreitungskegels ist, der sich im Isolierträger (2) zwischen dem Halbleiterelement (4) und dem Metallträger (1) mit einem Seitenflächenwinkel von etwa 45° ausbildet

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Anschlußfläche (9) zwischen dem ersten Gehäusering (6) und dem zweiten Gehäusering (7) durch ein auf eine Gehäuseringoberfläche aufgedrucktes Material gebildet ist, welches beim Zusammensintern des ersten Gehäuseringes (6) mit dem zweiten Gehäusering (7) metallisiert.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Anschlußfläche (9) aus einer Mehrzahl ringsegmentförmiger Teile bestehen, die durch Aussparung von Zwischenräumen voneinander getrennt sind.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger (2) mit dem Metallträger (1) über ein Lot aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung verbunden ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (4) mit dem Isolierträger (2) über ein Lot aus einer eutektischen Gold-Silber-Legierung verbunden ist

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (8) scheibenförmig ausgebildet ist und aus einer Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung besteht