Browse Prior Art Database

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

Publishing Venue

Siemens

Related People

Authors:
Dr. Holger Hübner Dr. Strack Dr. Tilgner [+details]

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. Eine bisherige Lösung des Problems besteht in der Verwendung von Cu-Keramik- Verbundsubstraten (DCB). Eine ca. 1 mm dicke Keramikschicht, deren Ausdehnung zwischen Silizium und Kupfer liegt, nimmt den Großteil der Spannungen auf und verhindert eine Krümmung. Nachteilig ist aber die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Keramik. Eine andere Möglichkeit besteht 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. Bei thermischer Wechselbelastung können sich jedoch die Eigenschaften einer solchen Schicht verschlechtern, so daß es zum Bruch kommt. Diese Gefahr besteht um so mehr, je näher die Temperatur des Bauteils dem Schmelzpunkt der Lötschicht kommt, was bei heutigen Betriebstemperaturen ein ernsthaftes Problem darstellt.