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Verfahren zur Herstellung einer gut wärmeleitenden Verbindung zwischen einer von der Oberfläche eines Halbleiterkörpers abstehenden Elektrode und einem metallischen Träger
Der Betrieb von Halbleitereinrichtungen, wie z. B. von Dioden und Transistoren, ist mit der Erzeugung von Wärme verbunden, wobei die Menge an erzeugter Wärme mit der von der Vorrichtung verarbeiteten Energiemenge zunimmt. Es ist gefunden worden, dass im Betrieb von Transistoren die meiste unerwünschte Wärme von der Vorrichtung im Kollektorbereich erzeugt wird.
Die während des Betriebes der Vorrichtung erzeugte Wärme muss verteilt und abgeleitet werden, denn andernfalls würde sich die Vorrichtung auf ein Mass erwärmen, bei dem die thermische Energie der Halbleitervorrichtung gross genug geworden ist, um Elektronen über die verboten Zone aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben, so dass die Vorrichtung nicht mehr arbeitsfähig ist. Aus diesem Grunde sind Transistoren, in denen das halbleitende Plättchen aus Germanium besteht, im allgemeinen oberhalb einer Temperatur von 1000C nicht mehr arbeitsfähig. Die Befestigung der während des Betriebes erzeugten Wärme ist besonders für Leistungstransistoren von Bedeutung, indem die höchste zulässige Kollektorverlustleistung von der Abkühlungsgeschwindigkeit abhängt.
Um die von Halbleitereinrichtungen erzeugte Wärme zu beseitigen, sind zahlreiche Methoden entwickelt worden. Eine dieser Methoden besteht beispielsweise darin, die Halbleitereinrichtung in einen mit 01 oder einer andern Flüssigkeit gefüllten Behälter einzuschliessen. Die allgemein verwendeten Flüssigkeiten haben sich jedoch als unbefriedigend erwiesen, weil sie eine genügende Wärmeabfuhr nicht gewährleisten und weil sie die Neigung zeigen, die elektrischen Charakteristiken der Vorrichtungen abträglich zu beeinflussen, indem sie auf die Oberfläche des Halbleiterkristalls ungünstig einwirken.
Um Wärme von oberflächenlegierten Leistungstransistoren abzuleiten, hat man wenigstens eine me-
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per vorstellen, welche die von der Vorrichtung erzeugte Warme aufnehmen. Der Wärmeverteiler leitet die erzeugte Wärme an das Chassis des Gerätes weiter oder gibt sie direkt an die Atmosphäre ab, welche demnach den letzten Wärmeaufnehmer vorstellt. Im Rahmen dieser Methode hat sich die Herstellung einer niedrigen Wärmewiderstand aufweisenden Verbindung zwischen der Vorrichtung und dem Wärmeableiter als schwierig erwiesen, wenn darauf Wert gelegt wird, Fabrikationsschwierigkeiten oder Beschädigungen der Vorrichtung zu vermeiden.
Es ist auch versucht worden, oberflächenlegierte Leistungstransistoren auf einem metallischen Wärmeaufnahmekörper zu montieren, wie z. B. einen kupfernen Träger, indem eine der legierten Elektroden direkt auf den Träger gelötet wird. Es hat jedoch auch dieser Versuch nicht befriedigt. Um eine sichere Verbindung zu liefern, muss das Lot das Elektrodenmaterial lösen oder sich mit diesem legieren. Es hat sich aber als sehr schwierig erwiesen, zu verhindern, dass sich das Lötmetall mit der ganzen Elektrode legiert oder sie zur Gänze löst und dadurch die Beschaffenheit der Vorrichtung verändert.
Die Erfindung schafft nun eine Möglichkeit, einen guten thermischen Kontakt mit oberflächenlegierten Halbleitervorrichtungen zu sichern, soferne letztere wenigstens eine aus der Oberfläche des Plättchens vorstehende metallische Erhebung aufweisen. Diese Technik eignet sich besonders zur Anwendung bei Halbleitergebilden die aus Indiumlegierungen bestehende legierte Elektroden besitzen, doch kann sie auch so abgeändert werden, dass sie mit Erfolg bei Halbleitervorrichtungen angewendet werden kann, deren
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Elektroden aus andern Stoffen bestehen.
Das Verfahren zur Herstellung einer gut wärmeleitenden Verbindung zwischen einer von der Ober- fläche eines Halbleiterkörpers abstehenden Elektrode und einem metallischen Träger kennzeichnet sich nun dadurch, dass man einen Körper aus einer niedrig schmelzenden Legierung in Berührung mit dem me- tallischen Träger bringt, welche Legierung imstande ist, das Elektrodenmaterial bei einer unterhalb des
Schmelzpunktes dieser Elektrode liegenden Temperatur anzulösen, wobei jedoch das Volumen dieses Le- gierungskörpers nicht gross genug ist, um die gesamte Elektrode zu lösen, worauf die Elektroden der Le- gierungskörper und der Träger aneinandergepresst und darauffolgend das aus der Halbleiteranordnung, dem
Legierungskörper und dem Träger bestehende Gebilde auf eine unterhalb des Schmelzpunktes der Elektrode liegende,
jedoch für ein Schmelzen des Legierungskörpers und ein Anlösen eines Teiles der Elektrode ausreichende Temperatur erhitzt und anschliessend abgekühlt wird, um durch Verfestigung der geschmolzenen Legierung eine Verbindung zwischen der Halbleiteranordnung und dem Träger herbeizuführen.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden, an Hand der Zeichnungen erfolgenden Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte ersichtlich, wobei die Fig. l eine auseinandergezogene
Schnittdarstellung einer Halbleitereinrichtung vorstellt, die eine metallische Elektrode, eine scheibenförmige Legierungsmasse und einen Träger besitzt ; Fig. 2 ist die Schnittansicht einer aus Halbleitereinrichtung, Legierungsmasse und Träger bestehenden Zusammenstellung der in Fig. l dargestellten Einzelteile vor Durchführung der der Verbindung dienenden Erhitzung ; Fig. 3 ist eine Schnittansicht des aus Fig. 2 ersichtlichen Gebildes, nachdem es zwecks Herstellung der Verbindung einer Erhitzung unterworfen wurde. In sämtlichen Figuren wurden zur Bezeichnung gleicher Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.
In dem in Fig. l dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sei die Halbleitervorrichtung 10 ein oberflächenlegierter Leistungstransistor, der ein halbleitendes"Plättchen 11, zwei gleichrichtende Elektroden 12 und 13, die gleichachsig an gegenüberliegenden grösseren Flächen des Plättchens 11 anlegiert sind und einen an dem Plättchen 11 anliegenden ohmschen Basiskontakt 14 umfasst. In diesem Beispiel bestehe das Plättchen 11 aus der n-Leitfähigkeitstype angehörige Germanium, die beiden Elektroden 12 und 13 aus Indium und der Basiskontakt 14 sei ein Ring aus Nickel, der an eine der grösseren Oberflächen des Plättchens 11 so angelötet sei, dass er die eine gleichrichtende Elektrode 12 umgibt.
Die Elektrode 12 ist die kleinere der beiden Elektroden und wird als Emitter verwendet. An dieser Emitterelektrode 12 ist eine elektrische Leitung angeschlossen. Die Elektrode 13, die im fertigen Transistor als Kollektor wirkt, besitzt in diesem Beispiel einen Durchmesser von etwa 4, 5 mm.
Der Legierungskörper 16 stellt in diesem Beispiel einen Körper vor, der einen Durchmesser von etwa 2, 2 mm und eine Dicke von etwa 1 mm besitzt. Da die Kollektorelektrode in diesem Beispiel aus Indium besteht, ist die im Sinne der Erfindung verwendete Legierung eine solche, die Indium zu lösen vermag und einen niedrigeren Schmelzpunkt als Indium (1550C) aufweist. Eine für diesen Zweck geeignete Legierung besteht aus 50 Gel.-% Indium und 50 Gew.-% Zinn. Der Schmelzpunkt dieser Legierung liegt bei ungefähr 1170C. Es ist zu beachten, dass das Volumen des Legierungskörpers 16 kleiner ist als jenes der Kollektorelektrode 13, so dass der Legierungskörper 16 zu klein ist um im geschmolzenen Zustande die gesamte Kollektorelektrode zu lösen.
Es empfiehlt sich ein Flussmittel zu verwenden, um oberflächliche oxydische Verunreinigungen von jenem Teil der Trägeroberfläche zu entfernen, die mit der Halbleitervorrichtung verbunden werden soll.
Ein solches Flussmittel besteht beispielsweise aus 100/0-iger Salzsäure. Ein Tropfen dieser verdünnten Salz- säure wird auf einen vorbestimmten Bereich einer der grösseren Flächen des Trägers 17 aufgebracht. Das aus niedrigschmelzender Legierung bestehende Plättchen 16 wird nun in diesem Tropfen auf die betreffende Seite des Trägers 17 aufgelegt. Sodann wird der Transistor 10 über die Scheibe 16 gelegt und die Kollektorelektrode 13 gegen den Legierungskörper 16 gedrückt. Das resultierende, aus Transistor 10, Legierungskörper 16 und Träger 17 bestehende Gebilde ist aus Fig. 2 ersichtlich.
Dieses, aus Transistor. Legierungskörper und Träger bestehende Gebilde wird nun auf eine unter dem Schmelzpunkt der Elektrode 13 liegende, jedoch für ein Schmelzen des Legierungskörpers ausreichende Temperatur erhitzt, so dass der geschmolzene Legierungskörper einen Teil des Elektrodenmaterials löst. Die Erhitzung kann in einem gewöhnlichen Ofen durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass während der Erhitzung eine nicht oxydierende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
Da eine genaue Einhaltung einer bestimmten Ofentemperatur erforderlich ist, um örtliche Überhitzungen auszuschliessen, ist es vorteilhaft, den Erhitzungsschritt in der Weise durchzuführen, dass das aus Fig. 2 ersichtliche Gebilde auf einer Temperatur gehalten wird, die einerseits über dem Schmelzpunkt des Legierungskörpers 16, aber anderseits unter jenem der Kollektorelektrode 13 liegt, was durch Tauchen in ein entsprechend zusammengesetztes Bad erreicht werden kann. Diese Methode sichert eine gleichmässige Erwärmung des gesamten Gebildes
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auf die gewünschte Temperatur. Das verwendete Bad kann jedwede Flüssigkeit sein, die einen über dem
Schmelzpunkt des Legierungskörpers liegenden Siedepunkt aufweist und hinsichtlich der Halbleitervorrich- tung neutrales Verhalten zeigt.
Manche organischen Stoffe, die einen über 1900C liegenden Siedepunkt besitzen, verhalten sich neutral hinsichtlich einer Halbleitervorrichtung, und ergeben aus diesem Grunde geeignete badflüssigkeiten. Beispiele für solche Verbindungen sind Silikone, wasserfreies Lanolin, Poly- äthylenalkohole, polyhydrische Alkohole wie Äthylenglykol und Glyzerin. In dem hier beschriebenen Beispiel fand ein Glyzerinbad Anwendung, das auf einer Temperatur von 132 bis 145 C gehalten wurde und in welches die Einheit für einen zwischen 30 sec und 2 min währenden Zeitraum getaucht wurde.
Während dieser Zeitspanne schmilzt die Legierungsmasse 16 und löst einen kleinen Bereich der angrenzenden Kol- lektorelektrode 13 an, doch bleibt die Schmelze an ihrem Platz und die Temperatur der Schmelze und ihre Masse reichen nicht aus, um die gesamte Kollektorelektrode zu schmelzen.
Anschliessend wird das Gebilde aus dem Bade entnommen und abgekühlt, um zu einer Verfestigung der Schmelze und damit einer festen Verbindung zwischen dem Transistor und dem Träger zu kommen, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Das Glyzerin wird von dem Gebilde dadurch entfernt, dass man es durch
30 sec in deionisiertem, heissem Wasser wäscht und anschliessend durch 15min in kaltem, fliessendem
Wasser spült, worauf die Einheit an der Luft getrocknet wird.
Indem das vorstehende Beispiel an Hand eines pnp-Leistungstransistors beschrieben wurde, versteht es sich doch, dass die Erfindung in gleicher Weise auch auf Transistoren andern Aufbaues angewendet werden kann, soferne sie einen metallischen, von der Oberfläche vorstehenden Fortsatz in Form einer Erhebung aufweisen und der Anordnung auf einem wärmeableitenden Gebilde bedürfen. Beispielsweise könnte man npn-Transistoren, die eine oberflächenlegierte Kollektorelektrode aus Blei-Arsen oder Blei - Antimon aufweisen, in ähnlicher Weise auf einem wärmeableitenden Träger montieren, indem man sich eines aus Blei und Zinn bestehenden Lotes bedient, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als jener der Kollektorelektrode. In analoger Weise ergeben sich viele Ausgestaltungen und Änderungen der Erfindung aus Vorstehendem von selbst.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer gut wärmeleitenden Verbindung zwischen einer von der Oberfläche eines Halbleiterkörpers abstehenden Elektrode und einem metallischen Träger, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Körper (16) aus einer niedrig schmelzenden Legierung in Berührung mit dem metal- lischen Träger (17) bringt, welche Legierung imstande ist, das Elektrodenmaterial (13) bei einer unterhalb des Schmelzpunktes dieser Elektrode liegenden Temperatur anzulösen, wobei jedoch das Volumen dieses Legierungskörpers (16) nicht gross genug ist, um die gesamte Elektrode (13) zu lösen, worauf die Elektrode der Legierungskörper (16) und der Träger (17) aneinandergepresst und darauffolgend das aus der Halbleiteranordnung (10), dem Legierungskörper (16)
und dem Träger (17) bestehende Gebilde auf eine unterhalb des Schmelzpunktes der Elektrode (13) liegende, jedoch für ein Schmelzen des Legierungskörpers (16) und ein Anlösen eines Teiles der Elektrode (13) ausreichende Temperatur erhitzt und anschliessend abgekühlt wird, um durch Verfestigung der geschmolzenen Legierung eine Verbindung zwischen der Halbleiteranordnung (10) und dem Träger (17) herbeizuführen.