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Vermeidung der Verbiegung von Bauelementen infolge thermischer Fehlanpassung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017524D
Original Publication Date: 2001-Apr-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 3 page(s) / 52K

Publishing Venue

Siemens

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Dr. Holger Hübner: AUTHOR [+3]

Abstract

Werden zwei Schichten 1 und 2 (Fig.1) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten so miteinander verbunden, daß sie sich nicht gegeneinander verschieben können, so tritt bei Erwärmung eine Verbiegung des Schichtpaketes ein. Voraussetzung ist, daß die Verbindungsschicht 3 auch bei hohen Temperaturen keine Verschiebung der Schichten zuläßt und sich nicht plastisch verformt. Im gekrümmten Zustand kommt es auf der kürzeren konkaven Seite des Stapels zu einer Dehnung (Zugbelastung) und auf der längeren konvexen Oberfläche zu einer Stauchung (Druckbelastung) des Materials. (umgekehrte Verhältnisse, wenn die Verformung durch Einwirkung von Außen bewirkt würde). Irgendwo innerhalb des Stapels befindet sich die neutrale Zone 4 (gestrichelt), längs der die Schicht spannungsfrei ist. Leistungshalbleiter aus Silizium werden zur besseren Wärmeabfuhr an Kühlkörper aus Kupfer gebondet. Beide Materialien zeigen das oben beschriebene unterschiedliche Ausdehnungsverhalten, wobei Silizium unter Zugbelastung gerät. Silizium hält hohe Druckspannungen, aber nur geringe Zugspannungen aus, wie generell einkristalline, polykristalline oder glasartige Werkstoffe.

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Bauelemente

Vermeidung der Verbiegung von Bauelementen infolge thermischerFehlanpassung

Idee: Dr. Holger Hübner, Baldham; Dr. Strack, München; Dr. Tilgner, München

Werden zwei Schichten 1 und 2 (Fig.1) mit unterschiedlichen thermischenAusdehnungskoeffizienten so miteinander verbunden, daß sie sich nicht gegeneinanderverschieben können, so tritt bei Erwärmung eine Verbiegung des Schichtpaketes ein.Voraussetzung ist, daß die Verbindungsschicht 3 auch bei hohen Temperaturen keineVerschiebung der Schichten zuläßt und sich nicht plastisch verformt. Im gekrümmten Zustandkommt es auf der kürzeren konkaven Seite des Stapels zu einer Dehnung (Zugbelastung) und aufder längeren konvexen Oberfläche zu einer Stauchung (Druckbelastung) des Materials.(umgekehrte Verhältnisse, wenn die Verformung durch Einwirkung von Außen bewirkt würde).Irgendwo innerhalb des Stapels befindet sich die neutrale Zone 4 (gestrichelt), längs der dieSchicht spannungsfrei ist. Leistungshalbleiter aus Silizium werden zur besseren Wärmeabfuhr anKühlkörper aus Kupfer gebondet. Beide Materialien zeigen das oben beschriebeneunterschiedliche Ausdehnungsverhalten, wobei Silizium unter Zugbelastung gerät. Silizium hälthohe Druckspannungen, aber nur geringe Zugspannungen aus, wie generell einkristalline,polykristalline oder glasartige Werkstoffe.

Eine bisherige Lösung des Problems besteht in der Verwendung von Cu-Keramik-Verbundsubstraten (DCB). Eine ca. 1 mm dicke Keramikschicht, deren Ausdehnung zwischenSilizium und Kupfer liegt, nimmt den Großteil der Spannungen auf und verhindert eine Krümmung.Nachteilig ist aber die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Keramik. Eine andere Möglichkeitbesteht in der Verwendung einer ca. 100   m  m dicken Weichlötschicht (z.B. Pb/Sn-Legierung).Diese bewirkt einen Spannungsabbau durch plastische Anpassung an die Geometrie. Beithermischer Wechselbelastung können sich jedoch die Eigenschaften einer solchen Schichtverschlechtern, so daß es zum Bruch kommt. Diese Gefahr besteht um so mehr, je näher dieTemperatur des Bauteils dem Schmelzpunkt der Lötschicht kommt, was bei heutigenBetriebstemperaturen ein ernsthaftes Problem darstellt.

Die hier beschriebene Lösung besteht in der Verwendung einer rein  elastisch  reagierendenLötschicht, bei der auch unter Stress kein Kriechen auftritt. Eine solche Verbindungsschicht erhältman z.B. durch das sog.  Diffusionslöten . Ein Verfahren, das eine solche Verbindung zwischenHalbleiter und Kühlkörper durch Diffusionslöten herstellt, ist z.B. im europäischen Patent97102700.8-1270 beschrieben worden. Dabei wird das Si-Bauteil z.B. durch eine wenige   m  mdicke Sn-Schicht an den Cu-Kühlkörper gelötet. Nach Erhitzen über den Schmelzpunkt der Sn-Schicht (über 300°C) reagiert das flüssige Sn mit dem Cu unter Bildung einer wenige   m  m dicken

Siemens Technik Report

Jahrgang 4  Nr. 11  April 2001

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Verbindungsschicht aus Cu 3 Sn, solange bis das Sn restlos au...