DE2807601A1 - Loetverbindung zwischen einem elektrischen bauteil, insbesondere halbleiterelement, und einer zuleitung - Google Patents
Loetverbindung zwischen einem elektrischen bauteil, insbesondere halbleiterelement, und einer zuleitungInfo
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Description
GLAWE, DELFS, MOLL ά PARTNER
Nippon Electric Company Ltd. 53-1, b'hiba Gochome, Hinato-ku,
1I1 ο k y ο 10ü/ JAPAIi
Lötverbindung· zwischen einem elektrischen Bauteil, insbesondere
Halbleiterelement, und einer Zuleitung
PATENTANWÄLTE
DH.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN
DIPL.-ING. KWUS DELFS. HAMBURG
DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DH. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG
8000 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 UEBHERRSTR. 20
TEL. (CS9) 22 65 48 TELEX 52 25 05
MÜNCHEN
A 05
2000 HAMBURG POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE TEL. (040)41020
TELEX 21 29
Beschreibung
Die Erfindung- betrifft eine Lötverbindung zvrischen einem
elektrischen Bauteil, insbesondere einem Halbleiterelement, und einer daran anzuschließenden äußeren Zuleitung,
Als äußere Zuleitungen dienende Metallteile wie Drähte, Streifen od.dgl. müssen häufig· an ein Bauteil oder einen Träger für eine
elektronische Schaltung mit einem sehr kompakt angeordneten Leitungsniuster,
oder an ein Substrat oder einen keramischen Körper eines Ultrahochfrequenz-Bauteils angelötet werden. Bei derartigen Lötverbindungen
ergeben sich erhebliche Sinschränkungen hinsichtlich der
«ί U -3 © υ G / U / w »
COPY
BANK: 0"ESDNEH BfMK. HAMBURG. 4 330 446 (3LZ 2^0000 OD) · POSTSCHECK: HAMBURG ^4.'607-50O · TELEGRAMM: SPECHTZIES
sr
mglichen geometrischen Anordnungen im Iiinblick auf die geforderten
elektrischen Eigenschaften. Insbesondere können parasitische Iteaktanzkomponenten wie z.ß. eine Streukapazität, eine
parasitische Induktanz od.dgl., die Eigenschaften eines Substrats
oder eines zusammengesetzten Bauteils für nochfrequenzanordnungen erheblich beeinträchtigen. Derartige Substrate oder Bauteile werden
deshalb möglichst klein ausgebildet, um die parasitische Reaktanz möglichst zu verringern. Infolgedessen ist die für das Anlöten
einer Zuleitung verfügbare Fläche außerordentlich klein. Lei bisher bekannten Anordnungen, z.B. nach US-PS 3 946 425 erfolgt die Lötverbindung
zwischen einer Zuleitung und einem Substrat oder Bauteil derart, daß die Zuleitung in einer Ebene liegt, die parallel zu der
metallisierten Lötfläche des keramischen Substrats od.dgl. liegt.
Bei derartigen bekannten Anordnungen hat jedoch die Lötverbindung eine sehr geringe Festigkeit gegenüber Kräften, die an dem Zuleitungsdraht
in Richtung senkrecht zur Lötfläche angreifen und diesen von der Lötfläche nach oben abzuziehen und wegzubiegen suchen.
Die Bieg- oder Bruchfestigkeit der Lötverbindung gegenüber solchen
Kräften wird im folgenden als "AbziehfeBtigkeit" bezeichnet. Bei der
Handhabung von Halbleiterelementen mit äußeren Zuleitungen können derartige, in Abzieh- oder Aufbiegerichtung wirkende äußere Kräfte
sehr leicht auftreten, und es ist deshalb erwünscht, daß die Lötverbindungen der Zuleitungen eine möglichst hohe "Abziehfestigkeit"
aufweisen, im Interesse einer größeren Zuverlässigkeit und besseren
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hanipulierbarkeit der iialbleiterelemente. Vor allem bei solchen
Elementen, bei denen auf der Oberfläche eines Substrats mit geringer
mechanischer Festigkeit, wie 3.1>. Berylliurakeramik od.dgl.,
eine metallisierte bchicht aufgebracht ist, die als Lötflache zum
Anlöten äußerer Zuleitungen dient, kann diese metallische Bcliicht
oder ihre Verbindung mit dem Substrat sehr leicht durch äußere iiräfte zerstört werden, und es besteht deshalb ein Bedürfnis nach
einer gegenüber derartigen Zerstörungskräften widerstandsfähigen
Lötverbindung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lötverbindung zu
schaffen, die eine hohe Festigkeit gegen Kräften, die senkrecht
zur Lötfläche wirken, aufweist=
Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Lötverbindung für äußere
Zuleitungen eines Halbleiterelementes geschaffen werden, die besonders steif und unempfindlich gegen Handhabung ist.
Durch die erfindungsgemäße Lötverbindung soll auch eine vorteilhafte
Halbleiteranordnung für Verwendung im Ultrahochfrequenzbereich
geschaffen werden, die eine besonders kleine parasitische Reaktanz aufweist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Lötverbindung,
bei der sich eine Zuleitung mit ihrem nicht verlötetem Hauptteil im wesentlichen parallel zu einer Lötfläche des Bauteils
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erstreckt, und die dadurch feekennzeichnet ist, daß der angelötete
Bndabschnitt der Zuleitung; sich im wesentlichen senkrecht
zu der Lötfläche erstreckt.
Insbesondere ist die Erfindung in der Weise realisiert, daß eine draht- oder streifenförmige Zuleitung· zu einem elektrischen
Bauteil oder Halbleiterelement ein im wesentlichen rechtwinklig abgebogenes Snde aufweist, welches iia wesentlichen
senkrecht auf der für das Anlöten vorgesehenen metallisierten
Oberfläche eines isolierenden Substrats aufsitzt und somit im - stumpfen Stoß an dieser festgelötet ist.
Ausführungsfonnen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
näher erläutert.
rig. 1 und 2 zeigen im Schnitt Lötverbindungen genäß dem
Stand der Technik;
i'ife"· 3 zeigt im Schnitt eine Lötverbindung gemäß
einer Ausführungsfonn der Erfindung}
i'ig. 4A und 4S zeigen in Draufsicht und Seitenansicht eins
AuBführungsforni einer Zuleitung für eine Lötverbindung
gemäß der Erfindung!
Fig. 5A und 55 zeigen in Draufslch'o und Seitenansicht eine
Halbleiteranordnung niit einer erfindungs gemäß en
Lötverbindung!
, " 009335/0733
-A-
Jj'ig. 6 und 7 zeigen im Schnitt weitere Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lötverbindung,
Gemäß dem Stand der Technik werden Lötverbindungen an Halbleiterelementen
z.is, gemäß i'ig. 1 in der Weise ausgeführt, daß eine Metallschicht 2 als Lötfläche von vorgegebener J?orm auf einer
Oberfläche eines flachen isolierenden Substrats 1, z.B. aus Keramik, aufgebracht wird, und daß auf diesen Lötflächenabschnitt eine äußere
Zuleitung 3 Kit einem Lötmittel 4 angelötet wird. Bekanntlich haben
bei Substraten oder Bauelementen für die Verwendung im ITltrahochfrequenzband
die ZuIeitungsdrähte für die Elektroden od.dgl. im
allgemeinen Streifenform, und die Lötverbindung ist derart, daß die Oberfläche deß Lötbereiches auf dem Substrat 1 und der äußere Zuleitungsstreifen
3 parallel zueinander liegen und verlötet sind.
Eine derartige Lötverbindung hat keine ausreichende Pestigkeit
gegenüber solchen Kräften, die die Zuleitung 3 senkrecht zur Lötfläche nach oben abzubiegen und abzuziehen suchen. Dies gilt
vor allem bei Bauteilen für das Ultrahochfrequenzband, da diese wegen ihrer kleinen Abmessungen zur Verringerung der parasitischen
Reaktanz nur eine äußerst kleine Lötfläche aufweisen können. Deshalb haben vor allem eolche Bauteile eine sehr geringe Abziehfestigkeit
bei bisher üblichen Lötverbindungen. Beispielsweise ist zum Anlöten eines 0,6 mm breiten Zuleitungsstreifens an einem Keramiksubstrat
zur Erzielung einer ausreichenden Abzugsfestigkeit eine metallische Lötfläche 2 mit einer Größe von mindestens 1 mm χ 1 mm erforderlich.
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Da jedoch ein Bauteil für die Verwendung im Ultrahochfrequenzband
sehr kleine Abmessungen haben mußp kann in den meisten Fällen
nur eine Lötfläche von höchstens O97 mm x O95 ma bereitgestellt
werden. Pur derart kleine Lötflächen liegt bei den bisher üblichen
Lötverbindungen gemäß I1Ig0 1 die Abziehfestigkeit in Bereich von
0,4 bis 1,5 kg, während die zu fordernde Abziehfestigkeit mindestens
0,9 kg und vorzugsweise wesentlich mehr betragen sollte.
Eine gewisse Verbesserung der Abziehfestigkeit der Lötverbindung nach dem Stand der !Technik kann mit der Anordnung gemäß
S1Xg. 2 erreicht werden, bei der die Metallschicht nicht nur an der
Oberfläche, sondern auch auf einer Seitenfläche des isolierenden Substrats 1 vorgesehen ist und die Zuleitung 3 derart angelötet
wird, daß das Lötmittel 4 an der Oberseite und der Seitenfläche
anliegt. Auch mit einer solchen Anordnung können bei den oben angegebenen Größenverhältnissen bestenfalls Abziehfestigkeiten von
0,6 bis 2 kg erreicht werden.
Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Lötverbindung gemäß den Fig. 3 bis 7 das Ende eines äußeren ZuleitungsStreifens 33
L-förmig abgebogen, und dieses abgebogene Ende wird ungefähr im Zentrum der metallischen Lötfläche 2 auf dem Isolatorsubstrat 1 im
wesentlichen rechtwinklig zu dieser Fläche 2 aufgesetzt und dann mit Lötmittel 4 angelötet. Das Lötmittel 4 wird derart aufgebracht,
daß es nur den abgebogenen Endabschnitt der Zuleitung 33 umgibt und
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daran anhaftet, sich aber im wesentlichen nicht bis zu dem zur Pläche 2 parallel verlaufenden Ilauptteil der Zuleitung- 55 erstreckt,
iiis ist vorteilhaft, wenn das Lötmittel 4 gleichmäßig
auf allen Seiten des Endes der Zuleitung 53 verteilt iet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrug die von der Hetallschicht 2 gebildete Lötflache 0,7 mm χ 0,5 mm,
also gleich der oben beschriebenen bekannten Lötverbindung,, wobei aber mit der erfindungsgemäßen Lötverbindung eine Abziehfestigkeit
im Bereich von 1 bis 5 kg erzielt wurde . Bei einer noch vorteilhaf-
•jO teren Ausführungsform der Erfindung hat der Endbereich eines Zuleitungsstreifens
43 eine verringerte Breite, wie in i'ig. 4A und 4B
dargestellt. Es wurde gefunden, daß durch diese Ausbildung des Zuleitungsstreifens
Zufallsschwankungen der Verteilung des Lötmittels rund um das Zuleitungsende beim LoVben wesentlich verringert werden,
so daß man bei der Massenfertigung wesentlich gleichmäßigere Lötverbindungen
und wesentlich geringere Schwankungen der .Festigkeit der Lötverbindungen erzielen kann.
!"ig. 5A und 5B zeigen in Draufsicht und in Seitenansicht eine
bevorzugte Anwendung der Erfindung für die Befestigung der Zuleitungen
an einem GaAs-]?eldeffekttransistor, bei der eine Packung 50
aus Berylliumoxidkeramik an beiden Enden mit trapezförmigen Befestigungsvorsprüngen
51 für die Zuleitungen versehen ist. Eine Abdeckung 55 aus Keramik ist auf die obere Seite der Packung 50 mittels eines
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Silberlots befestigt, und eine wärmeabstrahlende Basis 50 aus
Kupfer ist an der Unterseite der Packung 50 unter Zwischenfügung
einer Scheibe 56 aus Kovar (einer Hickel-Eisen-Kobaltlegierung)
ebenfalls mittels Silberlot befestigt. Die oberen Flächen der Befestigungsvorsprünge
51 sind mit Metallschichten 52 versehen, die
elektrisch mit einem in der Packung 50 eingeschlossenen FET verbunden
sind. Diese Metallschichten 52 haben eine etwas größere
Breite als die Zuleitungsstreifen 53 (in Fig. 5B sind die Metallschichten
52 nicht gesondert hervorgehoben),, Ähnlich wie bei der
Ausführungsform nach Fig„ 3 ist der anzulötende Endteil des strei-.
fenförmigen Zuleitungsdrahtes 33 aus Kovar annähernd rechtwinklig,
abgebogen und mittels eines Silbes-Kupfer-Lötmittels 54 an die Metallflächen
52 angelötete Letztere können aus einem Material wie
Wolfram, Molybdän, Mangan, lickel oder dgl«, oder Legierungen davon
bestehen,, (in Fig. 5A ist das Lötmittel 54 der Deutlichkeit halber
nicht dargestellt). Die Lötverbindungen im Halbleiterelement gemäß Fig. 5 können beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen0 Der
Zuleitungsdraht 53 hat eine Länge von 7s4 111111Si eine Breite von 0,6 mm
und eine Dicke von 0,1 mm, und seine Breite verringert sich am Ende auf 0,3 nun, wobei diese Verringerung der Breite allmählich erfolgt,
beginnend von einer Stelle, die O95 bis 0,7 nun vom Ende entfernt
liegt. Der ZuIeitungsdraht 53 ist an einer Stelle, die etwa 0,4 h™
von seinem Ende entfernt liegt, um nahezu 90° abgebogen. Die metallische
Lötfläche 54 hat eine Breite von 0s"J um. und eine Länge in Richtung
des Zuleitungsdrahtes von etwa 0,5 mm0 Die Packung 50 hat eine
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Höhe von 1,2 mm, in ihrem oberen Teil eine Länge \~on 2,4 πηη
und in ihrem unteren Seil einschließlich der Befestigungsvorsprünge
51 eine Länge τοη 5,5 h^j wobei die HöJbe dieser Befestigungsvorsprünge
0,6 mm beträgt. Me Scheibe 56 hat quadratische Abmessungen von 2,4 es s 2,4 sm und eine Dicke von 0,3 mm» Me
Kupferbasen 57 hat eine Sicke von O53 sna und die gleiche ϊοπη
wie der Außenumriß der Packung 50 in deren unteren !'eil.
Bei einer anderen Ausführungsforni der Erfindung gemäß Fig. 6
ist eine Metallschicht 52 sowohl an der oberen Seite als auch an
der Seitenfläche des Isolatorsubstrats 1 vorgesehen, und eine Zuleitung
33 ist derart angelötet, daß das Lötaaterial A an diesen
beiden Flächen anliegt. In diesem ITaIl kann bei siner Lotfläohe von
der oben erwähnten Größe eine Abziehfestigkeit von 1,2 Me 3 kg erreicht
werden»
Bsi silier tfeitsren. bevorzugten Äusführung-sform der Erfindung
gemäß IPig. 7 ist eine Metallschicht 52 auf der Oberseite und einem
Seil der Seitenfläche des Isolatorsubstrats 1 vorgesehen während
eine andsre I-Ietallschioht ?2! auf dsr Rückseite des Substrats 1
von der esst genannten Metallschicht ?2 elektrisch isoliert ist,
Bie Srf'i&ösxg Izzmi somit anoh bei HalBleiteseleneßtea aagswendet
ie eise I-Ieiiellscliiciit 528 als Brd^ngselsktrsde aufweisen.
stSaeliöb. wasdea is diesem Fall Maßnahmen, sur weitest gehend*r*
SeouaicrOng der Strei^apasität swisoiien diesen llektroden9
iassbesesäisr© Eia^altiag ©iaes möglichst großen Aöstandee swiseken
den Mewallsohichuen 72;, 12% angewendet«
ferner ist die Erfindung nicht auf die in Figo 4A und 4B
dargestellt Ausgestaltung des anzulötenden Endes der Zuleitung beschränkt„ sondern diese kann in verschiedenster Weise ausgeführt
werdeno i'erner muß das abgebogene Ende der Zuleitung nicht
exakt im rechten ¥inkel abgebogen seinj, sondern dieser Winkel
braucht nur ungefähr ein rechter ¥inkel zu sein« Vorzugsweise beträgt der Winkel mindestens 45 oder mehr5 und er liegt vorteilhafterweise
im Bereich von 70 bis 110 α
Durch die erfindungsgemäße Lötverbindung können an einem plättchen- oder streifenförmigen Substrat äußere Zuleitungen
unter Erzielung einer Verbindung von hoher Festigkeit angebracht werden, ohne daß die Eigenschaften des Substrats oder Bauteils
für die Verwendung im Höchstfrequenzbereich verschlechtert werden0
Die erfindungsgemäße Lötverbindung ist besonders vorteilhaft für Eeramiksubstrate mit unvollkommen oder fehlerhaft ausgsbild©tsa
Randbereichen sowie auch für Substrate auf einem Keramikmaterial,
das aufgrund seiner Verarbeitung vor dem Brennen eine ungleich= förmige Dichte aufweist oder bei dem Fehler durch die formgebung
entstanden sind0
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Claims (2)
- zeichnet, daß sie ein Isolatorsubstrat (50) aufweist, das auf einer Hauptflä,che metallische Anschluß schichten (52) träf,t, cLie sich bis zum Handbereich des xsolatorsubstrats (50) erstrecken, in welchem Lötansätze (51) vorgesehen sind, xiobei die Hetallschichten (52) elektrisch mit einem auf dem Isolatorsubstrat (50) angeordneten Schaltelement verbunden sind, undchß metallische Zuleitungen an die hetallschichten (52) derart angelötet sind, daß sich die iindabschnitte der Zuleitungen in einem vorgegebenen Winkel zu der Oberfläche der Lötansätze (54) erstrecken.a0983S/0739S) Int. Cl.2:S) BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDH 01 L 21/60DEUTSCHES.PATENTAMTOffenlegungsschrift 28 07 601
Aktenzeichen: P 28 07 601.9 Anmeldetag: 22. 2.78 Offenlegungstag: 31. 8.78 Unionspriorität:25. 2.77 Japan 22962-77Bezeichnung: Lötverbindung zwischen einem elektrischen Bauteil, insbesondereHalbleiterelement, und einer ZuleitungAnmelder:Nippon Electric Co., Ltd., TokioVertreter:Erfinder:Glawe, R., Dr.-Ing.; Delfs, K., Dipl.-Ing.;Moll, W., Dipl.-Phys. Dr.rer. nat; Mengdehl, U., DipL-Chem. Dr.rer. nat.; Pat.-Anwälte,8000 München u. 2000 Hamburg Anazawa, Shinzo; Kozu, Hideaki; TokioRecherchenantrag gem. § 28 a PatG ist gestelltO 8.78 809 835/739GLAWE1 DELFS, MOLL & FARTNERNippon Electric Company Ltd, 3:5-1, Shi"ba G-ochome, Minato-ku Tokyo 108 / JAJPMLötverbindung zwischen einem elektrischen bauteil, insbesondere Halbleiterelement, und einer ZuleitungPATENTANWÄLTU /DR.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-1NG. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG8000 MÖNCHEN 26
POSTFACH 37
LIEBHERRSTR. 20
TEL. (089) 22 65 48
TELEX 52 25 05MÜNCHENA Ob2000 HAMBURG 13 POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE 58 TEL. (040) 410 20 08 TELEX 21 29 21Patentansprüche3 Lötverbindung zwischen einer Lötfläche eines elektrischen
Bauteils, insbesondere eines Halbleiterelementes, und einem im wesentlichen parallel zu dieser Fläche verlaufenden draht- oder streifenförmigen Zuleitung , dadurch gekennzeichnet , daß 5 der an die Lötfläche (2, 52) angelötete Endabschnitt der Zuleitung
(33, 43» 53) ini wesentlichen senkrecht zu dieser Lötfläche verläuft. - 2. Lötverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil ein isolierendes Substrat (1, 51) und eine auf einer ebenen Oberfläche des Substrats aufgebrachte me-10 teilische Schicht (2, 52) aufweist und daß die Zuleitung (33, 43, 53) streifenförmig ausgebildet ist.809836/0739ORIGINAL INSPECTEDBANK: DRESDNER BANK, HAMBURG, 4 030 448 (BU 200 800 00) ■ POSTSCHECK: HAMBURG 147607-200 ■ TELEGRAMM: SPECHTZIES
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