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Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere eines Transistors, mit einlegierter Emitter- und Kollektorelektrode und einer Basiselektrode, bei dem dieses System mechanisch auf einer Grundplatte montiert ist, durch die die Stromzuführungen zu mehre- ren Elektroden des Bauelementes hindurchgeführt sind und bei dem diese Stromzuführungen durch je ein als Zuleitung dienendes Zwischenglied mit den entsprechenden Elektroden des Halbleitersystems verbunden werden. Emitter-, Kollektor- und Basiselektroden eines Transistors müssen kontaktiert und an die Gehäuse- durchführungen metallisch angeschlossen werden.
Ausserdem ist es bei Legierungstransistoren zum Erzielen einer guten Wärmeableitung, insbesondere am Kollektor, wichtig, diese möglichst grossflächig auf den Sy- stemträger, der aus einem gut wärmeleitenden Metall, insbesondere aus Kupfer, besteht, aufzulöten.
Bei dem durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahren wird eine Blechschablone mit mehreren
Elektroden (z. B. 2, 14) des Systems und den entsprechenden Stromzuführungen (z. B. 10, 11, 13) sowie die
Kollektorelektrode mit der z. B. aus Kupfer bestehenden, insbesondere aufgewölbten Metallplatte mecha- nisch und elektrisch fest verbunden. Danach werden durch Herausschneiden von Teilen der Blechschablo- ne die einzelnen Elektroden mit den zu ihnen gehörigen Stromzuführungen elektrisch voneinander ge- trennt. Es ist besonders günstig und wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, bei einer Temperatur, die über dem Schmelzpunkt des Legierungsmetalles, aber unter der Legierungstemperatur liegt, zu arbeiten.
Bei den bisherigen Verfahren der Systemherstellung werden die Legierungspillen vor dem Einlegieren durch Erhitzen auf eine Temperatur, die unterhalb der Legierungstemperatur des Metalles mit dem Halbleiter liegt, auf die Halbleiterscheibe aufgeklebt und erst während des Kontaktierens einlegiert. Die dabei entstehenden Legierungsfronten sind nicht immer befriedigend, und die Systeme weisen ausserdem grosse Streuungen in den elektrischen Werten auf.
Bei andern Verfahren wird das System mit endgültigen elektrischen Werten hergestellt und dann mit dem Kollektor auf eine Grundplatte aufgelötet. Die Emitter- und Basisanschlüsse werden mit Lötfahnen oder ähnlichen Verbindungsteilen nachträglich kontaktiert.
Mit diesem Verfahren kann aber sehr schlecht eine günstige Wärmeleitung erreicht werden, und eine Automatisierung des Arbeitsganges wird erschwert.
Bei dem durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahren wird ein mit Kollektorelektrode, Emitterelektrode und gegebenenfalls auch mit einer Basiselektrode versehenes fertig legiertes Bauelement auf eine insbesondere aufgewölbte Metallplatte, die auf einer mit den Stromzuführungen versehenen Gehäusegrundplatte aus Metall montiert ist, aufgesetzt. Dann wird eine Blechschablone, die aus einem Stück besteht und deren Form der Systemanschlussanordnung'angepasst ist, auf das Bauelement aufgesetzt. In der Schablone sind Löcher vorgesehen, durch die die Stromdurchführungen hindurchgesteckt werden, so dass die Lage der Schablone gegenüber der des Systemes festgelegt wird.
Weiter werden die mechanisch und elektrisch zu verbindenden Stellen mit Weichlot versehen, dann wird die ganze Anordnung unter Schutzgas auf eine Temperatur, die über dem Schmelzpunkt des Legierungsmetalls, aber unter der Legierungstemperatur liegt, erhitzt, und nach dem Abkühlen werden die einzelnen Anschlüsse durch Auseinanderschneiden der Blechschablone getrennt. Der Abstand zwischen Systemträger und Halbleiterkörper kann so sehr klein gehalten werden, gegebenenfalls kann er durch die Ausbildung der Blechform oder durch Abstandhalter gesichert werden.
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Es wird also zunächst in das insbesondere kreisscheibenförmige Halbleiterplättchen, das z. B. aus
Germanium besteht, als Emitter bzw. Kollektor je eine Legierungspille, z. B. Indium, einlegiert. Die sich beim Abkühlen ausbildende Rekristallisationszone weist den entgegengesetzten Leitungstypus wie das Halbleiterplättchen auf. Gleichzeitig kann auch die insbesondere ringförmige Basiselektrode, die aus einem Metall besteht, das den gleichen Leitungstypus, wie ihn das Halbleiterplättchen hat, erzeugt, einlegiert werden. Dieses fertig legierte System wird mit der Kollektorfläche z. B. auf eine Aufwölbung (Amboss), die z. B. mit Gold überzogen ist, des Systemträgers, der aus Metall besteht, aufgesetzt.
Dann wird eine Blechschablone, die aus einem Stück besteht und die so geformt wird, dass sie auf dem Basis- ring und der Emitterelektrode aufliegt, wenn die Durchführungen durch die in der Schablone dafür vorge- sehenen Löcher hindurchgesteckt worden sind, auf das System aufgelegt und somit die Lage der Schablone gegenüber dem Transistorsystem festgelegt. In einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel, das in
Fig. 3 dargestellt ist, wird das System in die Blechschablone eingeklemmt. Darauf werden die zu kon- taktierenden Stellen, also die Emitterelektrode, ausserdem die Basiselektrode und gegebenenfalls, um eine gute Benetzung durch das Kollektorindium zu erzielen, auch die Aufwölbung, auf der das System aufliegt, sowie die zwei oder drei Gehäusedurchführungen mit Weichlot versehen.
Die ganze Anordnung wird nun unter Schutzgas auf etwa 250 - 3500 C erhitzt, also auf eine Temperatur, die unterhalb der Legierungstemperatur des Halbleiters mit der Metallpille, aber oberhalb des Schmelzpunktes der Metall- pille liegt. Das flüssige Kollektormetall fliesst dann auf der Aufwölbung des Systemträgers ab. Die Kol- lektorelektrode wird so mit dem Systemträger verbunden und ein kleiner Abstand zwischen Kollektor- fläche und Systemträger erzielt, was die Wärmeableitung am Kollektor begünstigt. Für eine bessere Be- netzung der zu verlötenden Teile ist es ausserdem günstig, die Aufwölbung mit einem Weichlot oder mir einem die Benetzung fördernden Metall, z. B. Indium oder Gold, zu versehen. Das an den übrigen Stel- len angebrachte Weichlot schmilzt ebenfalls und benetzt die Lötstellen.
Nach dem Abkühlen der Anord- nung können dann die einzelnen Anschlüsse durch einfaches Auseinanderschneiden der Blechschablone elektrisch getrennt werden. Da die beim Auflötprozess verwendeten Temperaturen verhältnismässig niedrig liegen, ändern sich die. bereits vorhandenen erzeugten Legierungsfronten nicht bzw. die Änderung wirkt nicht störend und ist daher vernachlässigbar.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat also folgende wesentliche Vorteile gegenüber den bisher be-
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Das System kann vor dem Einbau vollständig fertiglegiert werden, und damit sind erprobte Verfahren zur Erzeugung ebener und guter Legierungsfronten anwendbar. Die Kontaktierung der Elektroden und der Durchführungen und das Auflöten auf den insbesondere aufgewölbten Systemträger kann gleichzeitig durchgeführt werden. Da der Abstand zwischen Kollektorfläche und Systemträger sehr gering gehalten
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gen hergestellt werden. Wegen seiner Einfachheit eignet sich das Verfahren besonders gut für eine Automatisierung des Kontaktierungsvorganges.
Es ist auch möglich, die Basiselektrode während des Kontaktierungsvorganges in die Halbleiterscheibe einzulegieren.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leistungstransistors, der nach dem erfindungs- gemässenverfahren kontaktiert wurde, im Querschnitt bzw. in Draufsicht, dargestellt. Die Grundplatte 8 des Gehäuses, die z. B. aus Eisen besteht, besitzt eine Einschmelzung 9 aus lichtundurchlässigem Glas, welche die elektrischen Durchführungen vom Gehäuse isoliert. In Fig. l sind dabei nur die Kollektorzuführung 11 und die Emitterzuführung 10 gezeichnet. In Fig. 2, die die Anordnung von oben gesehen darstellt, ist auch die Basiszuführung 13 angegeben. Der z. B. aus Kupfer bestehende Systemträger 7 ist auf die zur Wärmeableitung dienende Grundplatte elektrisch isoliert, aber gut wärmeleitel1d aufgeklebt.
Es ist vorteilhaft, wenn der Systemträger 7 eine Aufwölbung besitzt, auf der während des erfindungsgemässen Verfahrens das fertiglegierte System mit einem Kollektor 3 aufgesetzt wird. 1 ist der Halbleiterkörper, der z. B. aus einem kreisförmigen Germaniumplättchen besteht, und 2 ist die Emitterelektrode, die ebenso wie die Kollektorelektrode, z. B. aus Indium besteht. Die aus einem Stück bestehende Blech-
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sie die Emitterelektrode 2 und die Basiselektrode 14 berührt und ist ausserdem mit Löchern für die Zufüh- rungen 10, 11, 13 versehen, wie das vor allem in Fig. 2 deutlich wird. Durch das Loch 6 in der Schablone 5 kann das Weichlot 4 und das Emitter-Indium während des Verfahrens auch die Oberfläche der Schablone benetzen und dadurch das überflüssige Lot aufnehmen.
Der Basisring 14 und die Durchführungen 10, 11, 13 werden an der Berührungsstelle mit der Schablone 5 mit Weichlot versehen. Das ganze System wird zum Kontaktieren der Elektroden und der Durchführungen auf 250 - 3500 C erhitzt, so dass die zu kontakte-
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renden Stellen vom Weichlot benetzt werden. Das Legierungsmetall (Indium) wird dabei flüssig und fliesst am Kollektor auf die Schrägflächen der Aufwölbung und auf den ebenen Teil des Systemträgers ab. Der Abstand zwischen Kollektorfläche und Systemträger wird dadurch sehr gering und die Wärmeableitung am Kollektor erhöht. Die Wärmeableitung wird ausserdem durch den grossflächigen Kontakt zwischen Kollek-
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auch durch eine besondere Ausbildungsform der Schablone oder durch eine andere Stütze gesichert wer- den.
Nach dem Abkühlen werden die mit 12 bezeichneten Teile aus der Schablone herausgeschnitten und die einzelnen Anschltisse elektrisch voneinander getrennt. Die ganze Anordnung wird mit einer mit der
Grundplatte 8 verschweissten Metallkappe vakuumdicht verschlossen.
In den Fig. 3 und 3a ist ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel eines Leistungstransistors, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurde, in Draufsicht bzw. im Schnitt nach den Linien A-B der Fig. 3 dargestellt. Die insbesondere ovale Metallplatte 7'aus Kupfer bildet zugleich die Bodenplatte des Gehäuses. Da die Kollektorelektrode 3 während des Verfahrens elektrisch mit dieser Kupferplatte ver- bunden wird, stellt die Metallplatte 7'auch die Kollektorzuführung dar. Das Gehäuse weist also nur 'noch zwei Durchführungen auf, die die Basiszuführung 13 und die Emitterzufuhrung 10 darstellen.
Sie werden zunächst mit einem Glasring 9 und einem Eisenring 17 umgeben, dann mit Weichlot 4 versehen und während des Kontaktierens der Elektroden mit der Blechschablone 5 werden sie vakuumdicht mit der
Grundplatte 7'verlötet. Die Blechschablone 5 ist so ausgebildet, dass das mit Emitter, Kollektor und
Basisring versehene System eingeklemmt werden kann.
Der gekröpfte Teil der Schablone 5 liegt auf der Emitterelektrode 2 auf. Ausserdem sind in der Scha- blone zwei Löcher vorgesehen, durch die die Stromzuführungen 10 und 13 hindurchgeführt'sind. Die z. B. ringförmig ausgebildete Basiselektrode 14 des Transistors setzt sich in einer Fahne 18 fort, die durch einen mit zwei Einschnitten versehenen Teil der Schablone hindurchgestreckt ist. Die Durchführungen sowie die Emitterelektrode sind an der Berührungsstelle mit der Schablone mit Weichlot versehen, eben- so die Fahne 18 an der Stelle, an der sie die Durchführung 13 berührt. Das ganze System wird dann, wie bereits beschrieben, zum Kontaktieren der Elektroden und der Durchführungen erhitzt.
Dabei fliesst das flüssige Kollektormetall 3 über die Schrägflächen der Aufwölbung der Metallplatte 7'ab. Durch das Loch 6 in der Schablone 5 kann das Weichlot 4 und das Emittermetall während des Verfahrens auch die Oberfläche der Schablone benetzen und dadurch das überflüssige Lot aufnehmen. Nach dem Abküh- len werden durch Herausschneiden des Teiles 20 aus der Schablone 5 die Emitter- und die Basiselektrode elektrisch voneinander getrennt.
Die ovale Grundplatte mit nur zwei Durchführungen ist besonders günstig, da keine so enge Anord- nung von System und Durchführungen notwendig ist. In der Bodenplatte 7'kann z. B. auch ein Evakuie- rungsstutzen vorgesehen sein, der auch zur Einführung des Schutzgases in das Gehäuse dienen kann und der ebenfalls während des Kontaktierungsverfahrens in die Grundplatte eingelötet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere eines Transistors, mit ein- legierter Emitter- und Kollektorelektrode und einer Basiselektrode, bei dem das System mechanisch auf einer Grundplatte montiert wird, durch die die Stromzuführungen zu mehreren Elektroden des Systems hindurchgeführt sind und bei dem diese Stromzuführungen durch je ein als Zuleitung dienendes Zwischen- glied mit den entsprechenden Elektroden des Halbleitersystems verbunden werden, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Blechschablone (5) mit mehreren Elektroden (2, 14) des Systems und mit denentspre- chenden Stromzuführungen (10, 11, 13) sowie die Kollektorelektrode (3) mit der z.
B. aus Kupfer bestehenden, insbesondere aufgewölbten Metallplatte (7) mechanisch und elektrisch fest verbunden werden und dass danach durch Herausschneiden von Teilen (12) der Blechschablone die einzelnen Elektroden mit den zu ihnen gehörigen Stromzuführungen elektrisch voneinander getrennt werden.