專利名稱:壓接觸gto-可控硅整流器的制作方法
本發(fā)明涉及一種壓接觸GTO-可控硅整流器。
本發(fā)明特別涉及一種這樣的可控硅整流器，它有一個裝在陰極同陽極之間的，具有各種不同摻雜層的半導(dǎo)體片，該半導(dǎo)體片至少在陰極面處被做成臺面形，還有一個有多個凸起的，被深處的柵極區(qū)域包圍的陰極凸臺的柵極-陰極結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體片總是在陰極凸臺上復(fù)蓋著一層金屬化陰極層，在陽極面復(fù)蓋著一層金屬化陽極層;并有一個片形的陰極面壓接件和一個片形的陽極面壓接件，陰極面壓接件壓在陰極層上，陽極面壓接件壓在陽極層上，以實現(xiàn)接觸連接。
電子學(xué)成就在能量傳輸、能量控制或在電力傳動裝置中的不斷普及，使功率較高的大功率半導(dǎo)體，特別是二極管和可控硅整流器得到發(fā)展。具有直徑較大的半導(dǎo)體片的大功率半導(dǎo)體有較高的載流能力和較高的反向截止電壓。制造這種有較高負(fù)荷的功率半導(dǎo)體的困難不僅在半導(dǎo)體片本身的制備過程中存在，而且主要存在于將半導(dǎo)體片安裝在恰當(dāng)?shù)耐鈿ぶ械陌惭b過程中。
在半導(dǎo)體片裝入外殼的安裝過程中，不僅僅要注意保證半導(dǎo)體片與周圍之間有良好的電氣接觸和熱接觸，還要使它具有足夠的負(fù)荷變換穩(wěn)定性，也就是說，給所裝入的元件要有足夠的保護(hù)，使其在負(fù)荷變換時能抗疲勞。對此，外殼里的半導(dǎo)體片的接觸連接顯得特別重要。
很久以來人們就已經(jīng)知道利用所謂的“合金型壓接件”大功率半導(dǎo)體(參見J.Knobloch，S.Prough，“Solderless Construction of large Diameter Silicon Power Devices”，Proc.IAS Conf.1977)，這種半導(dǎo)體器件中，用專門的焊劑(例如，一種鋁合金)將半導(dǎo)體片的一面焊在金屬襯底上(如用鉬，或鎢做的襯底)，另一面與一個加壓的金屬片呈加壓接觸。
用釬焊制成的半導(dǎo)體-金屬-層結(jié)構(gòu)由于其熱膨脹系數(shù)明顯不同，從而使直徑越來越大的半導(dǎo)體片產(chǎn)生較大的機(jī)械彎曲力，這種機(jī)械彎曲力使構(gòu)件的負(fù)荷變換穩(wěn)定性不斷變壞。
為此，人們用所謂的“直接壓接件”來代替通常的硅可控整流器和二極管的合金型接觸，從半導(dǎo)體的兩邊，用加壓的金屬片使其加壓接觸，(參見den，o，g。Artikel von J.Knobloch et al.oder Brown Boveri Mitt.1(1979).S.5-10)。
這種壓接觸連接的方式，在兩邊為平面形表面的半導(dǎo)體片構(gòu)成的通用硅可控整流器中證明是可靠的，因為是平面形的表面，保證了半導(dǎo)體片內(nèi)部的壓力分配非常均勻。
其差別是，可截止的GTO(柵極截止)-可控硅整流器有臺面形柵極-陰極結(jié)構(gòu)(參見US-PS4127863)。為了壓接觸連接，在陰極面上仍然采用了許多凸起的陰極凸臺，陰極凸臺的小的面積一起承受較大的壓力，而且必須使加在半導(dǎo)體片上的壓力盡可能均勻。
在DE-OS2719219中(圖6及有關(guān)的說明)中提出了原則性建議，也是在這種GTO-可控硅整流器中使用直接壓接件。這種原則性建議是行不通的，而且該文獻(xiàn)中什么也沒說明，要在GTO中實現(xiàn)直接壓接件，存在很多困難。
在GTO中，帶有臺面形柵-陰極結(jié)構(gòu)的條件實際上是困難的，從DE-OS3134074(20頁2-21行)得知，為了減輕陰極凸臺上的壓力，甚至在那里當(dāng)使用簡單的合金壓接件時，在陰極凸臺頂部上造成柵極區(qū)域。
在所述的GTO-可控硅整流器上，具有一個直接壓接件帶來技術(shù)上的困難，迄今為止，市場上能買到的只有帶一個合金型壓接件的大功率GTO可控硅整流器(參見IEEE Transactions on Electron Devices，vol.ED-28，No.3，Marz1981，S.270-274)。
本發(fā)明的任務(wù)是創(chuàng)造一種壓接觸連接的GTO-可控硅整流器，它裝有一個直接壓接件，并具有足夠的負(fù)荷變換穩(wěn)定性。
該任務(wù)采用開始所說的壓接件GTO-可控硅整流器技術(shù)，通過下述措施得到解決，即使壓接件和半導(dǎo)體片在它們的加壓接觸面上所具有的平面偏差小于±5μm，并使壓接件相互對準(zhǔn)到它們的中心軸的相對偏差小于500μm。
這些措施的總作用是有效的防止了器件的功能因為器件上出現(xiàn)的有關(guān)相應(yīng)機(jī)械張力的張力變化而被破壞。
按照本發(fā)明的可控硅整流器的壓接件最好用鉬或鎢制成。
如果平面偏差小于±1μm，中心軸偏差小于100μm將會得到最佳的效果。
采用增大壓接件的直徑，可以改善壓力的分布，選擇壓接件的直徑大于20毫米是有益的。
必須指出的是，所有這些措施在本專業(yè)技術(shù)人員范圍內(nèi)從未描述過適當(dāng)?shù)拇_定尺寸，而且所采用的這些措施使一個實際可用的GTO-可控硅整流器在出乎意料之外，并針對著原先的假定得到實現(xiàn)。
附圖的簡要說明下面將用實施例結(jié)合附圖對發(fā)明作更詳細(xì)的說明。
唯一的附圖是具有直接壓接件的GTO-可控硅整流器結(jié)構(gòu)的斷面圖，它是本發(fā)明的基礎(chǔ)。發(fā)明的實施方法正如已經(jīng)提到的，在實際中，直接壓接件的應(yīng)用至今局限于具有大表面陰極的功率半導(dǎo)體上，特別是二極管和晶體管，兩個受壓的金屬化壓接件片是用鎢(W)或鉬(Mo)制成的，其面積與陰極的面積基本相同。
最重要的技術(shù)特征是一個簡單的陰極連接面。在極端情況下，予先考慮最高的單個溝槽(例如，在所說的凸臺柵極上)，但它只占陰極面的一個很小部分。因此能保證在主要的陰極面上的壓力是均勻的，最多在邊緣區(qū)域會有很小的局部過壓情況。
在GTO-可控硅整流器中，半導(dǎo)體片在陰極的一面具有很多長方形的島狀陰極凸臺，大多數(shù)這種凸臺安裝在基座(Rosettenstruktur)結(jié)構(gòu)里(見DE-OS3134074圖3)。陽極面的接觸面是一種最簡單的沒有刻劃的面，但也可以是臺面結(jié)構(gòu)，例如是分開的短陽極，或陽極面的深埋的柵極區(qū)形狀。
圖中所示是一個有平面形陽極面的這種可控硅整流器。安裝在中心的元件是一個具有各種不同摻雜層的半導(dǎo)體片2，它的邊界在圖中用虛線畫出。
陰極面(在圖的上部)的半導(dǎo)體片有臺面形柵極-陰極結(jié)構(gòu)，它有許多被深處的柵極區(qū)包圍的凸起的陰極凸臺7。
陰極凸臺7被用如鋁(Al)制造的金屬化陰極層6復(fù)蓋。位于其中的柵極區(qū)設(shè)有金屬化柵電極5，柵電極位于比陰極層6更深的地方。
陽極面(在圖的下部)的半導(dǎo)體片2是一種最簡單的形式，幾乎是一個完整的平面，它也被用鋁(Al)制備的陽極層4復(fù)蓋。在邊緣處用慣用方法將半導(dǎo)體片2固定，并設(shè)有一邊緣鈍化區(qū)9。在所述的例子中，柵電極5不是壓接連接的，它復(fù)蓋一層絕緣層8，如聚酰亞氨層，使柵電極得到保護(hù)。
直接壓接件包括金屬片形的陰極面的壓接件1和陽極面的壓接件3，最好是用鉬或鎢的薄板做成。從兩個壓接件1、3的兩邊對著半導(dǎo)體片2施加足夠的匹配壓力P，以保證構(gòu)件內(nèi)部的電氣接觸和熱接觸。
在基座結(jié)構(gòu)中，帶有陰極凸臺7的陽極面AA和陰極面Ak的典型比例為2＜ (AA)/(Ak) ＜5為了保證有允許的熱傳輸，所述構(gòu)件陽極面上的壓力必須滿足慣用的10-15毫巴(MPa)的特定值。對于陰極面上的壓力，則得出一個相應(yīng)于比例 (AA)/(Ak) 提高的值。
此外，對使用不合適的面積比例值而提高的壓力必然考慮了更進(jìn)一步的局部過壓，通?？紤]了a)在緊靠壓接件的邊緣處明顯的過壓(這就是所謂的印章效應(yīng))，及b)在半導(dǎo)體片的凹槽區(qū)域中的過壓。
對于一個規(guī)定數(shù)值的幾何形狀，就能計算出這些機(jī)械應(yīng)力(參見A.C.Zinkiewicz，Y.K.Cheung，“The finiteelement method in structural and continuum mechanics”，Mc Graw-Hill，1970)。
在實際中，過壓(a)會引起例如，首先在陰極層6以及陽極層4的邊緣處出現(xiàn)擊穿點(diǎn)。一個這樣類型的微小擊穿就自動地抵消了過壓。只要金屬化涂敷范圍的面積沒有明顯的增大，那么對這種情況而言，加壓技術(shù)一般說來不是關(guān)鍵的問題。
類型(b)的過壓會導(dǎo)致溝道效應(yīng)。典型應(yīng)用情況的理論計算表明，半導(dǎo)體片2中的局部機(jī)械應(yīng)力隨著一個大于2的系數(shù)增大。這種附加的應(yīng)力特別有害，因為由不同材料的熱膨脹而引起的移動或者剪應(yīng)力還會疊加在附加的應(yīng)力上。如果受機(jī)械壓力的片的厚度是很大的，像不受壓范圍的橫向膨脹(陰極凸臺7之間開口GTO的陷井內(nèi))，半導(dǎo)體片內(nèi)部的應(yīng)力用增大陰極表面的間隔可完全抵消。這種效應(yīng)原則上說是由Saint-Venant發(fā)現(xiàn)的(參見I.Szabo“Einfiihrung in die technische Mechanik”，T.Auflagc，Springer-Verlag 1966，S.130)。這種效應(yīng)在合金型壓接件上是有效的。因為半導(dǎo)體片和焊接好的襯底結(jié)合成一個厚度較大的單片。
在直接壓接件情況下，受壓半導(dǎo)體片不是合金型，也就不會出現(xiàn)上述狀態(tài)。在整個半導(dǎo)體片中，機(jī)械應(yīng)力是不均勻的，甚至?xí)霈F(xiàn)局部的符號改變(所謂的菲利翁(Filion)效應(yīng)，即受壓片局部從平垣的背面翹起)。因此必然得出在所述的島形結(jié)構(gòu)情況下，直接壓接件導(dǎo)致半導(dǎo)體片的破壞。
在一族試驗中，實現(xiàn)了在有直接壓接件的GTO-可控硅整流器上加最大壓力一溫度負(fù)荷的試驗，現(xiàn)在可以用令人滿意的結(jié)果證明，只要采取規(guī)定的措施，在具有構(gòu)成的陰極表面的GTO情況下，可以應(yīng)用直接壓接件。
重要的是，首先要平整，即相互接觸的半導(dǎo)體片和壓接件平面的平整度，這些面的不平整性，平面偏差不能大于5微米，最好小于1微米。
還要指出，一定要避免在壓接件1和3上有尖銳的棱角，當(dāng)壓接件在半導(dǎo)體片平面的內(nèi)部終止時，壓接件的尖銳棱角會導(dǎo)致已陳述過的擊穿現(xiàn)象。
最簡單的情況，平面形陽極邊(見圖)，至少要將陽極面的壓接件3面向半導(dǎo)體片2的一面，在其邊緣處削平或銼園。
最后，必須使相對著的壓接件1和3所表明的界邊達(dá)到較窄的誤差范圍內(nèi)。使壓接件1和3的中心軸之間的相互誤差小于500微米，相同直徑的片子要有同樣大小的半徑誤差△r(圖中已畫出)就足夠了。
誤差最好小于100微米。
陰極面的壓接件1的直徑也最好如此選擇，以使壓接件邊緣橫向地超過陰極凸臺7。也可以對兩個壓接件1，3選擇稍小的直徑(圖中虛線所示)。
在這個結(jié)構(gòu)下，詳細(xì)地優(yōu)選了如下的尺寸壓接件直徑 ＞20毫米陰極凸臺寬度 ＞0.1毫米陰極凸臺長度 ＞1毫米陰極凸臺之間的溝深度 ＞5-50微米陰極凸臺數(shù)目
100對所述的試驗采用了直徑是48.6毫米，厚度為350毫米的半導(dǎo)體片。用鉬做的壓接件，直徑為44.5毫米，厚度為2毫米。陰極面的壓接件中心處，有一個直徑為8毫米的孔(見圖)。
帶壓接件的半導(dǎo)體片總是裝入一個3吋的可控硅整流器外殼內(nèi)，并且每5個元件裝成一個整流堆，用20至40千牛頓(KN)的力加載。
要求陽極面的壓力為13至27毫巴(MPa)，而陰極面的壓力(相當(dāng)于微小的面積)是陽極面壓力的4倍。
測試元件被加熱到最高溫度為180℃，接著將元件在冷空氣流中冷卻到室溫。
溫循次數(shù)≥20次。
在第二組的實驗中，用GTO-構(gòu)件的電流負(fù)荷來改變負(fù)荷，使溫度升到125℃(負(fù)荷變換12000次;陽極面壓力為14毫巴)。
實驗結(jié)果表明，在上述兩種情況下，半導(dǎo)體片的電參數(shù)，經(jīng)過試驗負(fù)荷之后，僅僅在測量誤差范圍內(nèi)變化。
同樣，經(jīng)過壓力試驗之后，用鋁(Al)制造的陽極層和陰極層的變化同樣是很微小的，盡管超過了Al陰極面的理論擊穿點(diǎn)。
盡管按照本發(fā)明的直接壓接件只用了一個帶平面陽極面的GTO的簡單實施例來說明，但本發(fā)明也適合陽極邊有同樣臺面結(jié)構(gòu)的GTO，帶雙柵極(陰極一面和陽極一面的)的GTO的情況，原則上也落入本發(fā)明范圍。
因此，總的來說，按照本發(fā)明的預(yù)防措施，則能產(chǎn)生一個具有良好負(fù)荷變換穩(wěn)定性的，帶直接壓接件的GTO-可控硅整流器。
權(quán)利要求
1.壓接觸GTO-可控硅整流器，包括a)一個安裝在陰極面同陽極面之間，具有各種不同摻雜層的半導(dǎo)體片(2)，b)所述半導(dǎo)體片(2)至少在陰極面處做成臺面形，并具有由多個凸起的陰極凸臺(7)的柵極-陰極結(jié)構(gòu)，這些陰極凸臺被深處的柵極區(qū)包圍，以及c)半導(dǎo)體片(2)在其陰極凸臺(7)上總是復(fù)蓋著一層金屬化陰極層(6)，陽極面處總是復(fù)蓋著一層金屬化陽極層；并帶有d)一個陰極面的片形壓接件和一個陽極面的片形壓接件(1、3)，這些片形壓接件被壓在陰極層及陽極層上，以實現(xiàn)接觸連接，其特征在于e)壓接件(1，3)與半導(dǎo)體片(2)的壓力荷載接觸面上的平面偏差小于±5微米，和f)壓接件(1，3)相互對準(zhǔn)，以使它們中心軸之間的相互偏差小于500微米。
2.按照權(quán)利要求
1的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于，陽極面是平的，并且至少要使陽極面的壓接件(3)在面向半導(dǎo)體(2)的那面上在其邊緣處被削平或銼園。
3.按照權(quán)利要求
1的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于，壓接件(1，3)用鉬或鎢制成。
4.按照權(quán)利要求
3的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于，壓接件(1，3)與半導(dǎo)體片(2)的平面偏差小于±1微米。
5.按照權(quán)利要求
4的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于，壓接件(1，3)中心軸之間的相互偏差小于100微米。
6.按照權(quán)利要求
1的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于，壓接件(1，3)的直徑大于20毫米。
7.按照權(quán)利要求
1的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于a)陰極凸臺(7)的寬度大于0.1毫米，b)陰極凸臺(7)的長度大于1毫米，c)陰極凸臺(7)之間溝深度在5至50微米之間，和d)陰極凸臺(7)的數(shù)量大于或差不多等于100。
8.按照權(quán)利要求
1的壓接觸GTO-可控硅整流器，其特征在于陰極面壓接件(1)的直徑要如此之大，至使壓接件的邊界超出陰極凸臺(7)。
專利摘要
在采用直接壓接件的GTO-可控硅整流器情況下，由于對半導(dǎo)體片(2)和壓接件(1，3)的表面平整度、對壓接件(1，3)的對中，以及對其邊緣的安排提出了特殊的要求，從而制成了一個具有極好負(fù)荷變換穩(wěn)定性，可實用的構(gòu)件。
文檔編號H01L29/74GK87105600SQ87105600
公開日1988年2月24日 申請日期1987年7月30日
發(fā)明者安德烈·杰克林, 蒂博爾·帕科西, 沃爾夫?qū)R默曼 申請人:Bbc勃朗·勃威力有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan