DE3145648A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE3145648A1 DE19813145648 DE3145648A DE3145648A1 DE 3145648 A1 DE3145648 A1 DE 3145648A1 DE 19813145648 DE19813145648 DE 19813145648 DE 3145648 A DE3145648 A DE 3145648A DE 3145648 A1 DE3145648 A1 DE 3145648A1
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Description

3H5648"
HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Halbleiteranoranung und insbesondere auf eine Trägerelektröde, aie mit einem Halbleitersubstrat der Halbleiteranordnung verlötet ist und aus einem zusammengesetzten Material besteht, das Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix enthält.
In vielen Halbleiteranordnungen wird das Halbleitersubstrat auf Elektroden gelötet, die auch zur Halterung für das Substrat dienen. Damit eine während der Herstellung oder des Betriebs der Halbleiteranordnung erzeugte Wärmebeanspruchung vermindert oder unterdrückt wird und damit in der Halbleiteranordnung erzeugte Wärme befriedigend abgegeben wird, ist es erforderlich, daß die Elektrode folgende Eigenschaften aufweisen sollte:
(1) Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode sollte sich dem des Halbleitersubstrats so eng wie möglich annähern.
(2) Die Elektrode sollte eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Wolfram und Molybdän wurden bisher als bevorzugte Elektrodenmaterialien zur Erfüllung der oben erwähnten Anforderungen verwendet. Jedoch kann man aufgrund der Tatsache, aaß der Koeffizient der Wärmeausdehnung (im folgenden als Wärmeausdehnungskoeffizient bezeichnet) von Silizium, woraus das Halbleitersubstrat besteht, 3,5 χ 10 / C im Gegensatz zu denen von Wolfram und Molybdän ist, die 4,5 χ 10~6/°C bzw. 5,5 χ 10~6/°C sind, nicht stets sagen, daß Wolfram und Molybdän sehr befriedigend sind. Außerdem s-ind die Wärmeleitfähigkeiten dieser Elemente im Vergleich mit Kupfer schlecht.
Als ein Elektrodenmaterial, das Wolfram und Molybdän ersetzen soll, wurde ein zusammengesetztes Material, in welchem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind, vorgeschlagen (siehe z. B. US-PS 3 969 754) Dieses zusammengesetzte Material besitzt günstigerweise sowohl eine niedrige Wärmeausdehnungsfähigkeit, die den Kohlenstoffasern zuzuschreiben ist, als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die auf die Gegenwart von Kupfer zurückzuführen ist. Außerdem ist es durch Einstellen des Gehalts der zugemischten Kohlenstoffasern möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizient des zusammengesetzten Materials mit dem des Substratmaterials
3H5648"
in Übereinstimmung zu bringen. Jedoch verringert sich, wenn der Gehalt der Kohlenstoffasern gesteigert wird, Uer Wärmeausdehnungskoeffizient des zusammengesetzten ülektrodenmaterials, una gleichzeitig sinkt auch die Wärmeleitfähigkeit weyen der den Kohlenstoffasern als solchen eigenen niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Unter diesen Umständen er_gibt sich ein Bedarf der Entwicklung einer Elektrode aus einem solchen zusammengesetzten Material, dessen Wärmeleitfähigkeit durch Verringerung des Gehalts der zugemischten Kohlenstoffasern verbessert wird, während es gleichzeitig die Anforderung niedriger Wärmeausdehnung erfüllt.1 Wenn die Elektrode aus dem zusammengesetzten Material,», das die obigen Anforderungen erfüllt, in einer Halbleiteranordnung verwendet wird, ist das Halbleitersubstrat gegenüber Wärmebeanspruchungen im wesentlichen unempfindlich, während im Substrat erzeugte Wärme in befriedigender Weise abgeführt werden kann, wodurch man eine Halbleiteranordnung erhält, die günstigerweise eine hohe Stabilität bezüglich der elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen und einen befriedigenden Betrieb -sogar im Zustand, wo ein starker Strom zu beherrschen ist, sichern kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung zu entwickeln, die befriedigend betrieben werden kann, auch wenn ein starker Strom fließt, und die Elektroden aus einem zusammengesetzten Material enthält, in welchem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind und daö eine niedrige Wärmeausdehnung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat mit wenigstens einem' pn-übergang, mit Elektroden zum Halten des Halbleitersubstrats, aie aus einem Verbundmaterial bestehen, in dem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind, und mit Lötmaterial zur Anbringung der Elektroden am Halbleitersubstrat, mit dem Kennzeichen, daß die Kohlenstoffasern in der Kupfermatrix in einer ringartigen Form eingebettet sind, wobei die Ebene der ringartigen Form im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Elektrode zum Halten des Halbleitersubstrats liegt, und daß wenigstens die in einem äußeren Umfangsteil der Elektrode eingebetteten Kohlenstoffasern einen größeren Längselastizitätsmodul als den der in einem mittleren Teil der Elektrode eingebetteten Kohlenstoffasern haben.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.
Bei der mit dem Substrat verlöteten Elektrode," die auch als Träger für dieses dient, ist es erwünscht, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode gleich dem des Halbleitersubstats ist, vorausgesetzt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode in der zur Ebene ihrer Substrattragfläche parallelen Richtung sinkt. Es ist unnötig, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode in der zur Ebene der Tragfläche senkrechten Richtung dem des Halbleitersubstrats angenähert ist. Jedoch ist es erforderlich,
3U5648
daß die Wärmeleitfähigkeit der Elektrode in der senkrechten Richtung hoch ist, da eine Wärmeableitrippe in der zur Ebene der Substrattragfläche der Elektrode senkrechten Richtung montiert ist.
Weiter ist es erforderlich,daß keine Anisotropie bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Substrattragfläche der Elektrode auftritt.
Was den geometrischen Aufbau des Verbundmaterials für die Elektrode betrifft, in dem die Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind (dieses Material wird im folgenden als Cu-C-Verbundmaterial bezeichnet) , kann an einen netzartigen Aufbau, in dem die Kohlenstoffasern in einem netzartigen Muster oder System eingebettet sind, einen bidirektionalen Aufbau, in dem die Kohlenstoffasern in wenigstens zwei Richtungen ausgerichtet sind, einen Radialaufbau, in dem die Kohlenstoffasern in einem Radialmuster angeordnet sind, einen ringförmigen Aufbau, in dem die Kohlenstoffasern in einem Ringmuster angeordnet sind, und an einen,- Spiral- oder Wendelaufbau gedacht werden, in dem die Kohlenstoffasern koaxial gruppiert oder angeordnet sind. Darunter wird der spiralförmige Aufbau des Cu-C-Verbundelektrodenmaterials im Hinblick auf einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit bevorzugt.
Allgemein ergibt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient aC des Cu-C-Verbundmaterials in einer Richtung, in
der die Kohlenstoffasern ausgerichtet sind, durch den folgenden Ausdruck:
.. ^fEf vf +-W 1 - vf> M.. c= Efvf + V1 -V
worin ^ ~ und "-<-· die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kohlenstoff bzw. Kupfer, Ef und E die Längs-
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elastizitätsmoduln von Kohlenstoff bzw. Kupfer und Vf das Mischungsverhältnis oder den Gehalt an Kohlenstoff bedeuten.
Der Ausdruck (1) gilt grundsätzlich nicht nur für das unidirektionale Cu-C-Verbundmaterial, sondern auch für die Cu-C-Verbundmaterialien verschiedener oben erwähnter Strukturen. Insbesondere zeigen von den Erfindern durchgeführte Versuche, daß der Ausdruck (1) für das Cu-C-Verbundelektrodenmaterial der Spiralfaseranordnung gilt.
Wie man aus dem Ausdruck (1) ersehen kann, hängt der Wärmeausdehnungskoeffizient oL des Cu-C-Verbundmaterials von den Parametern <.^, Ef und Vf des Kohlenstoffs ab. Um das· Verbundmaterial mit kleinem oder niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient zu erzeugen, sollten die Kohlenstoffasern mit einem hohen Längselastizitätsmodul und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient in einer großen Menge zugemischt werden, die jedoch zu einer verringerten Wärmeleitfähigkeit führt, wie oben erläutert wurde.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Kohlenstoffasern mit hohem Längselastizitätsmodul wenigstens in einem äußeren Umfangsteil der Elektrode angeordnet werden, während die Kohlenstoffasern mit einem niedrigen Längselastizitätsmodul als Zumischung in einem mittleren Teil der Elektrode eingebettet werden. Bei diesem Aufbau dienen die im äußeren Umfangs-
bereich der Elektrode angeordneten Kohlenstoffasern mit einem hohen Längselastizitatsmodul dazu, die Wärmeausdehnung des mittleren Bereichs der Elektrode zu beschränken, wodurch ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient insgesamt durch die Elektrode hindurch erhalten werden kann, während eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit durch einen verringerten Gehalt der Kohlenstoffasern im mittleren Bereich der Elektrode erreicht wird.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausfünrungsbeispxele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. T eine Teilschnittansicht zur Darstellung einer Halbleiteranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht zur Dar- - stellung eines anderen Ausführungsbeispiels aer Erfindung; und
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der ■ Erfindung.
Gemäß Fig. 1 liegt ein Siliziumsubstrat 1 mit einem einzelnen pn-übergang vor. Eine Nut 2 ist in einer oberen Hauptfläche des Siliziumsubstrats 1 längs eines ümfangskantenteils desselben ausgebildet. Der pn-übergang liegt in der Nut 2 frei. Eine Passivxerungsglasschicht 3 ist durch einen Einbrennprozeß zur Abdeckung des freiliegenden pn-überganges
- 1O -
abgeschieden. Elektrodenschichten 4 und 5 aus Nickel od. dgl. sind auf der oberen Hauptflache in dem von der Nut 2 eingeschlossenen Flächenteil bzw. auf einer unteren Hauptflache vorgesehen. Elektroden 6 und 7 aus einem Cu-C-Verbundmaterial (auch als Cu-C-Verbunuelektrode bezeichnet) sind mit den Elektrodenschichten 4 bzw. 5 durch zwischengefügte Lotschichten B bzw. 9 verbunden. Zum Schutz der Passivierungsglasschicht 3 ist eine aus Silikonkautschuk od. dgl. gebildete Pufferschicht 10 über der Nut 2 abgeschieden. Die ganze so erhaltene Einheit ist durch ein Formgießverfahren in einem Epoxyharzblock 11 eingebettet. (Nicht dargestellte) Wärmeabführrippen oder -foleche mit hoher elektrischer unü thermischer Leitfähigkeit sind in engem Kontakt mit den zugehörigen Elektroden 6 und 7 aus dem Cu-C-Verbundmaterial angeordnet. Die ^elektrische Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 1 erfolgt mittels der Wärmeabfuhrrippen.
Die Elektrode 7 aus dem Cu-C-Verbundmaterial wurde nach einem im folgenden beschriebenen Verfahren hergestellt.
Ein erstes Bündel von 3000 Kohlenstoffasern mit
jeweils einem Längselastizitätsmodul von 196 200 bis
2
304 110 N/mm und einem Durchmesser von 6 bis 7 ,um sowie einer Kupferbeschichtung in einer Dicke von etwa 1 .um wurde hergestellt. Dieses Bündel wird als das Kohlenstoffaserbündel niedrigen Längselastizitätsmoduls (u. h. niedrigen Moduls 'der Längselastizität) bezeichnet. Ein zweites Bündel von 3000 Kohlen-
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stoffasern mit jeweils einem Längselastizitätsmodul von 353 16O bis 441 450 N/mru und einem Durchmesser von 6 bis 9 ,um sowie einer Kupferbeschichtung in einer Dicke von etwa 1 .um wurde hergestellt. Dieses Bündel wird als das Kohlenstoffaserbündel hohen Längselastizitätsmoduls bezeichnet.
Andererseits wurden pulverisiertes Kupfer mit einer Teilchengröße eier Größenordnung von 1 ,um und eine ^ wässerige Methylzelluloselösung miteinander vermischt, um eine schlammartige oder pastenartige Trübe pulverisierten Kupfers herzustellen.
Sowohl das Faserbündel des hohen als auch dasjenige des niedrigen Längselastizitätsmoduls wurden mit der das pulverisierte Kupfer enthaltenden Trübe in einem solchen Ausmaß imprägniert, daß der Gehalt der Kohlenstoffasern 45 Vol. % erreichte.
Dann wurde das erste Kohlenstoffaserbündel mit dem niedrigen Längselastizitätsmodul, das mit der, wie vorstehend erwähnt, pulverisiertes Kupfer enthaltenden Trübe imprägniert war, um eine Kupferstange mit öinem Durchmesser von 3 mm soweit aufgewickelt, daß der Durchmesser des Wickels 20 mm war. Zusätzlich wurde das zweite Kohlenstoffaserbündel mit dem hohen Längselastizitätsmodul, das, wie oben erwähnt, mit der das pulverisierte Kupfer enthaltenden Trübe imprägniert war, um die Wickelschicht des ersten Kohlenstoffaserbündels bis zum Wickeldurchmesser von 30 mm aufgewickelt.
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Anschließend wurde die Kupferkernstange herausgezogen, und der entstandene Hohlraum wurde mit der Trübe des pulverisierten Kupfers gefüllt.
Die so hergestellte zusammengesetzte Elektrodeneinheit wurde einem Heißpreßverfahren in einer Graphitform bei einer Temperatur von 1000 C unter einem Druck von 250 bar unterworfen. So erhielt man eine spiralförmig gewickelte Elektrode aus dem Cu-C-Verbundmaterial mitieinem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 3 mm, welche Elektrode als die in Fig. 1 gezeigte Elektrode 7 zu dienen hatte.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbundelektrode 7 wurde in deren Durchmesserrichtung (d. h. in der zur Verbindungsfläche des Siliziumsubstrats 1 parallelen Richtung) .über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 C gemessen. Der gemessene Durchschnittswärmeausdehnungskoeffizient war 3,6 χ 10 /0C. Dieser Wert nähert sich sehr eng dem Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium, der 3,5 χ 10 /0C ist. Die Wärmeleitfähigkeit der Elektrode 7 war nach Messung dWECh das Zündverfahren etwa 2,0 W/cm C.
Für Vergleichszwecke wurde eine Elektrode unter alleiniger Verwendung des Kohlenstoffaserbündels mit aem niedrigen Längselastizitätsmodul unter den gleichen Fertigungsbedinyungen hergestellt. Im Fall dieser Elektrode fand man, aaß eine Steigerung des Gehalts der zugemischten Kohlenstoffasern bis zu 55 bis 58 Vol. % erforderlich war, um den.gleichen Durchschnittswärmeausdehnungskoeffizient (d. h. 3,6 χ 10 / C) zu erhalten. Die Wärmeleitfähigkeit der nur mit dem
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Kohienstoffaserbündel mit dem niedrigen Längselastizitätsmodul her_gestellten Verbundelektrode wurde als 1,2 bis 1,6 W/cm C gemessen.
Man erkennt aus dem obigen Vergleich, daß sich die Menge der Kohlenstoffasern in der nach der Lehre der Erf inctung hergestellten Elektrode aus dem Cu-C-Verbundmaterial um 10 bis 13 Vol. % zum Erhalten des gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verringern läßt, wobei die Wärmeleitfähigkeit um 0,4 bis 0,o W/cm'' 0C gesteigert wird.
Die Elektrode 6 läßt sich nach dem gleichen Verfahren wie die vorstehend beschriebene Elektrode 7 herstellen und unterscheidet sich von der letzteren nur durch die Abmessung. Daher ist eine weitere Beschreibung des Herstellverfahrens der Elektrode 6 überflüssig.
So wurde'" erfindungsgemäß eine Halbleiteranordnung geschaffen, in der sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Siliziumsubstrats demjenigen der Elektroden sehr eng annähert, die mit dem Siliziumsubstrat verlötet sind unü als Träger für das Substrat dienen. Dank dieser Merkmale wird das Siliziumsubstrat kaum einer Wärmebeanspruchung ausgesetzt und somit nicht nur gegenüber einer Verschlechterung oder Beeinträchtigung seiner elektrischen Eigenschaften, sondern auch gegenüber Schaden oder einer Zerstörung aufgrund einer Wärmebeanspruchung geschützt, wodurch auch verbesserte mechanische Eigenschaften gesichert, werden. In der Halblelageranordnung mit einem Siliziumsubstrat
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großen Durchmessers wird die verbundene Einheit des Siliziunisubstrats und der Elektroden leicht unter dem Einfluß der Wärmebeanspruchung gäxogen. Eine solche Krümmung kann natürlich durch Geringsthaltung der Wärmebeanspruchung verringert werden. Demgemäß kann der Aufbau gemäß der Erfindung, bei dem die Erzeugung der Wärmebeanspruchung im wesentlichen unterdrückt wird, vorteilhaft zur Herstellung von Halbleiteranordnungen großen Durchmessers oder großer Abmessung angewandt werden.
Weiter läßt sich, da die Wärmeleitfähigkeit beträchtlich verbessert wird, im Siliziumsubstrat erzeugte Wärme rasch abführen. Demgemäß führt das Fließen eines starken Stromes nicht zur Verschlechterung von Eigenschaften der Anordnung unter dem Einfluß einer Wärmeerzeugung.
Im Betrieb durchläuft das Lotjnaterial gewisse Wärmezyklen. Jedoch ist, da die Wärmebeanspruchung vernachlässigbar ist, die Eignung der Halbleiteranordnung, einer Wärmeermüdung zu widerstehen, erheblich verbessert, wodurch auch die Verläßlichkeit der Anordnung verbessert wird.
Es soll nun eine beispielhafte Ausführungsart der Erfindung beschrieben werden, bei der zwei Arten der Kohlenstoffasern mit hohem Längselastizitätsmodul und niedrigem Längselastizitätsmodul durch den gesamten Aufbau der Cu-C-Verbundelektrode hindurch vermischt werden.
Ein erstes Bündel von 3000 Kohlenstoffasern mit jeweils einem Längselastizitätsmodul von 196 200 bis 304 110 N/mm unü einem Durchmesser von 6 bis 7 ,um sowie einer Kupferbeschichtung in einer Dicke von etwa 1 ,um wurde hergestellt. Dieses Bündel wird als das Kohlenstoffaserbündel niedrigen Längselastizitätsmoduls bezeichnet. Ein zweites Bündel von 3000 Kohlenstoffasern jeweils mit einem Längs-
2 elastizitätsmodul von 353 160 bis,441 450 N/mm und einem Durchmesser von 6 bis 9 ,um sowie mit einer Kupferbeschichtung in einer Dicke von etwa 1 ,um wurde hergestellt. Dieses Bündel wird als das Kohlenstoffaserbündel hohen Längselastizitätsmoduls bezeichnet.
Andererseits wurden pulverisiertes Kupfer mit einer Teilchengröße der Größenordnung von 1 ,um und einer wässerige-Metylzelluloselösung miteinander vermischt, um eine schlammartige oder pastenartige Trübe pulverisierten Kupfers herzustellen.
Das erste Kohlenstoffaserbündel mit dem niedrigen Längselastizitätsmodul und das zweite Kohlenstoffaserbündel mit dem hohen Längselastizitätsmodul wurden parallel zueinander übereinander gelegt und mit der aas pulverisierte Kupfer enthaitenden Trübe imprägniert. Anschließend wurden die imprägnierten Faserbündel auf einen stangenartigen Kupferkern mit einem Durchmesser von 3 mm aufgewickelt. Nachdem der Kupferkern entfernt war, wurde der gebildete Hohlraum mitijder das pulverisierte Kupfer enthaltenden Trübe gefüllt.
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Nachfolgend wurde die so erhaltene Elektrodeneinheit einem Heißpreßverfahren in einer Graphitform bei einer Temperatur von 1000 C unter einem Druck von 250 Bar unterworfen. Es wurde ein spiral- oder walzenartiger Elektrodenaufbau des Cu-C-Verbundmaterials mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 3 mm erhalten. Der Gehalt der
in
vermischten Kohlenstoffaseri/ der fertigen Elektroae war 51 Vol. %.
Der Durchschnittswärmeausdehnungskoeffizient Dei Messung über einen Temperatürbereich von Raumtemperatur bis 300 0C war 3,6 χ 10~6/°C.
Im Fall einer Elektrode, die nur mit dem Kohlenstof faserbündel des niedrigen Elastizitätsmoduls unter den gleichen Bedingungen für Vergleichszwecke hergestellt war/ betrug der zum Erhalten des Durchscnnittswärmeausdehnungskoeffizienten von 3,6 χ 10 /' erforderliche Kohlenstoffasergehalt 55 bis 58 Vol. %.
Wie leicht ersichtlich ist,, liegt der Gehalt der Kohlenstoffasern in der aus beiden Arten der Kohlenstoffaserbündel hergestellten Elektrode um 4 bis 7 Vol. % niedriger als der der nur mit den Kohlenstoffasern des niedrigen Elastizitätsmoduls herges teilten Elektrode.
Im Fall der vorstehend beschriebenen Beispiele sind die Kohlenstoffaserbündel in einer walzenartigen Gestaltung angeordnet. Jedoch ist die Elektrode aus dem Cu-C-Verbundmaterial gemäß der Erfindung keinesfalls auf eine solche Anordnung beschränkt, sondern sie kann
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gleichfalls in anderen Anordnungen der Faserbündel, wie ζ. Β. einer netzartigen Anordnung, einer ringförmigen Anordnung u. dgl., wie vorstehend beschrieben, hergestellt werden.
Beim Heißpreßverfahren neigen die Kohlenstoffasern zu einer solchen Verlagerung, daß sie in der Kupfermatrix mit einer gleichmäßigen Dichte verteilt werden. Infolgedessen kann ein Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten im Cu-C-Verbundmaterial der ringförmigen und spiralförmigen Kohlenstoff aserbündelanordnungen bei Messung in der Radialrichtung der Elektrode auftreten. Ein solcher Unterschied läßt sich beseitigen, sindem man die Dichte der Kohlenstoffasern im Umfangsteil der Elektrode entsprechend erhöht.
Wenn das Kohlenstoffaserbündel mit dem hohen Längselastizitätsmodul am Außenumfang in der spiralförmigen oder ringförmigen Anordnung vorgesehen wird, sollte die Anordnung derart getroffen werden,daß der Längselastizitätsmodul zur Mitte der Elektrode hin stetig abfällt. Weiter sollte, wenn die Dichte der Kohlenstoffasern im äußeren - Umfangsteil zu steigern ist, die Verteilungsdichte zur Mitte der Elektrode hin stetig abfallen. Dann läßt sich die dem Unterschied im Wärmeausdehnungskoffizient zuzuschreibende Wärmebeanspruchung am geringsten halten, woüurcn ein sehr stabilisierter Aufbau der Cu-C-Verbundelektrode erzielen läßt.
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Wenn eine Spur von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Bor (B) und/oder Hafnium (Hf) in der Kupfermatrix enthalten ist, legieren sich solche Elemente einerseits mit dem Matrixkupfer und bilden andererseits Karbide mit den Kohlenstoffasern, wodurch die Benetzbarkeit der Kohlenstoffasern für Matrixkupfer verbessert wird. So wird ein festes und stabiles Cu-C-Verbundmaterial erhalten.
Selbstverständlich kann die spiral- oder walzenförmige Anordnung in Kombination mit der ringförmigen Anordnung verwendet werden. Dabei kann, wenn die" Anordnung so getroffen wird, daß die spiralartige Verteilung der Kohlenstoffaserbündel im radial inneren Bereich liegt, während die ringförmige Anordnung der Kohlenstoffaserbündel im radial äußeren Bereich liegt, eine Ungleichmäßigkeit in der Verteilung des Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr gering gemacht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Halbleiteranordnung mit einem einzelnen pn-übergang, beschränkt, sondern läßt sich auch auf Halbleiteranordnungen mit zwei oder mehr pn-übergangen, wie z. B. Thyristoren, "triacs" (seitliche Thyristoren) u. dgl. anwenden.
Fig. 2 zeigt eine andere beispielsweise Ausführungsart der Erfindung. Das Siliziumsubstrat 21 ist vom abgeschrägten Typ, bei dem eine Umfangsseite 22 des Substrats 21, an der der pn-übergang frei liegt, abgeschrägt ist. Eine Passivierungsglasschicht 23 ist auf der abgeschrägten ümfangsseite
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durch ein Einbrennverfahren abgeschieden. Elektrodenschichten 24 und 25 aus Nickel od. dgl. sind auf der oberen bzw. der unteren Hauptfläche des Substrats 21 in ohm'sehen Kontakt ausgebildet. Gemäß der Erfindung herges teilte Elektroden 26 und aus dem Cu-C-Verbundmaterial sind an den Elektrodenschichten 24 und 25 mittels Lo !schichten 28 bzw. angebracht. Eine Pufferschicht 30 ist über der Passivierungsglasschicht 23 vorgesehen. Ein Epoxyharzkörper 31 ist zwischen den Elektroden 26 und durch Formguß eingebracht.
Im Fall des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels hat jede der Elektroden 26 und 27 einen nabenartigen Vorsprung, der mit den zugehörigen Elektrodenschichten 24 bzw. 25 verbunden ist. Bei dieser Gestaltung der Elektroden 26 und 27 sind die Kohlenstoffasern mit dem hohen Längselastizitätsmodul wenigstens im äußeren Umfangsteil angeordnet, um dadurch den Elektroden den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient und die hohe Wärmeleitfähigkeit zu verleihen. So wird eine Halbleiteranordnung mit verbesserter Verläßlichkeit erzielt.
In den in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen sind die Elektroden dazu bestimmt, disekt als die äußeren Elektroden zu dienen. Jedoch können diese Elektroden als innere Elektroden vorgesehen werden, die auch als die Hilfstragplatten dienen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Harzverguß -,-Halbleiteranordnungen beschränkt, sondern kann auch auf andere Anordnungsarten, wie den Keramikabdichtungstyp, Büchsenabdichtungstyp,
Glasabdichtungstyp u. dgl. hermetisch abgedichtete Bauarten angewandt werden.
Fig. 3 veranschaulicht eine Halbleiteranordnung eines Isolierstoffeinbettangstyps nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Isolierplatte 43 aus Aluminiumoxid ist mit einer Wärmeableitplatte 41 aus Kupfer mittels eines Lots 42 verbunden. Elektroden 47, 48 und 49 sind mit der Isolierplatte 43 mittels Lotschichten 44, 45 und 46 verbunden. Die Elektroden 47, 48 und 49· sind an Anschlußleitern 50, 51 und 52 aurch Hartlötmassen oder Lotschichten '53; 54 angebracht. Ein Siliziunuisubstrat 55 ist durch eine Lotschicht 56 mit der Oberseite der Elektrode 48, die äis innere Elektrode dient, verbunden. Die Elektroden 47 und 49 sind mit dem Siliziumsubstrat mittels eines Verbindungsdrahtes 57 bzw. eines Verbindungsürahtes 58 verbunden. Die Wärmeableitplatte 41 ist mit einer Nut 59 an einer dem Umfang der Isolierplatte 43 entsprechenden Zone - ausgebildet. Die untere Kante eines aus Epoxyharz herges teilten
6Q
Gehäuses/ist in die Nut t>9 eingepaßt. Das Innere des Gehäuses 60 ist mit einem Epoxyharzblock 61 durch ein Einspritzformverfahren gefüllte
Die Elektrode 48 besteht, aus dem Cu-C-Verbundmaterial gemäß der Erfindung.
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Wenn das Siliziumsubstrat 55 von rechteckiger
48 Form ist, kann die Elektrode entweder kreisförmig oder rechteckig sein. Die quadratische oder rechteckige Elektrode 48 kann vorzugsweise aus dem Cu-C-Verbundmaterial eines netzförmigen Aufbaus hergestellt werden,, indem eine Mehrzahl von Geweben oder Netzen, die aus den verflochtenen Kohlenstoffasern der hohen und niedrigen Längselastizitätsmoduln gebildet sind, übereinandergelegt und zu einer gewünschten Dicke heißgepreßt werden. Das Verweben der Kohlenstoffasern läßt sich leicht durchführen. Weiter tritt, wenn das aus den verwebten Kohlenstoffasern in einer großen Abmessung hergestellte Verbundelektrodenmaterial nachfolgend in eine gewünschte Abmessung zur Verwendung geschnitten .wird, vorteilhaft keine Anisotropie bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.
Obwohl in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ein einzelnes Siliziumsubstrat 55 verwendet wird, versteht sich,daß die Erfindung gleichfalls auf einen Aufbau anwendbar ist, inpem eine Anzahl von Siliziumsubstraten auf zugehörigen Elektroden angeordnet wird.
I ^4·
Leerseite

Claims (6)

  1. Ansprüche
    1Ji Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat mit wenigstens einem pn-übergang, mit Elektroden zum Halten des Halbleitersubstrats, die aus einem Verbundmaterial bestehen, in aem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind, und mit Lötmaterial zur Anbringung der Elektroden am Halbleitersubstrat,
    dadurch
    ge k e nnzeichnet,
    daß die Kohlenstoffasern in der Kupfermatrix in einer ringartigen Form eingebettet sind, wobei die Ebene der ringartigen Form im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Elektrode (6, 7,- 26, 27; 48) zum Halten des Halbleitersubstrats (1; 21; 55) liegt, und daß wenigstens die in einem äußeren Umfangsteil der Elektrode (6, 7; 26, 27; 48) eingebetteten Kohlenstoffasern einen größeren Längselastizitätsmodul als den derin einem mittleren Teil der Elektrode (6, 7; 26, 27; 48) eingebetteten Kohlenstoffasern haben.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß axe Kohlenstoffasern in der Kupfermatrix in einer aus einer aus einer ringförmigen Anordnung, einer spiralförmigen Anordnung, einer netzartigen Anordnung und Kombiantionen dieser Anordnungen bestehenden Gruppe gewählten Anordnung eingebettet sind.
    81-(A 61OÖ-Ü2)-TF
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  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsdichte der Kohlenstoffasern vom äußeren Umfangsteil der Elektrode (6, 7; 26, 27; 48) zu deren Mitte abnimmt.
  4. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, -dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfermatrix eine geringfügige Menge wenigstens eines aus der aus Titan, Zirkonium, Bor und Hafnium bestehenden Gruppe gewählten Elements enthält.
  5. 5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, daaurcn gekennzeichnet, daß der Längseiastizitätsmodul der Kohlenstoffasern vom äußeren Umfangsteil der Elektrode (6, 7; 26, 27; 48) zu deren Mitte progressiv sinkt.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern solche hohen Längselastizitätsmoduls und solche niedrigen Längselastizitätsmoduls in im wesentlichen dem gleichen Anteilsverhältnis in der ganzen Kupfermatrix eingebettet aufweisen.
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