Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung Es sind bereits Lötverbindungen zwischen Metall blechen und Keramikteilen bekanntgeworden. Man kann derartige Lötverbindungen in zwei Gruppen einteilen. Bei der einen Gruppe werden die Schwierigkeiten, die infolge der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizien- ten von Metallen und Keramik entstehen, dadurch über wunden, @dass die Metallteile entsprechend angepasst wer den.
Es werden -also spezielle Metallegierungen verwen det, welche diesen Zwecken dienen können. Derartige Metallegierungen bestehen z. B. aus Eisen, Nickel und Kobalt und sind unter den Handelsnamen Fernico, Kovar und Vacon bekanntgeworden.
Bei der anderen Gruppe von Lötverbindungen kann praktisch jedes lötbare Metall verwendet werden. Die Spannungen zwischen Metall und Keramik werden in diesem Falle durch eine weiche Lötverbindung über brückt. Dagegen ist eine Hartlotverbindung zwischen Metallen der I. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, also den Metallen Kupfer, Silber und Gold, und Keramikteilen nicht bekanntgeworden. Die Erfin dung schafft ein neues Verfahren, mit -dem die bisher aufgetretenen Schwierigkeiten überwunden werden.
Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Blech aus einem Metall der I.
Nebengruppe des Perioden systems der Elemente und einem Keramikteil, insbe- sondere aus Aluminiumoxyd. Es ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, .dass die Blechdicke nicht über 0,5 mm :
gewählt wind, dass der Keramikteil so bemessen wird, dass er an der Lötfläche, an der das ,anzulötende Blech flächig anliegt, wenigstens um den Faktbr 10 dicker als das :
Blech ist und @dass ein Hartlot verwendet wird. Zweckmässig wird ein ,aus dem Silber-Kupfer- Eutektikum bestehendes Lot verwendet, und vorteilhaft wird nach dem Aufschmelzen des Lotes die Lötverbin- dung sehr langsam abgekühlt, wobei ein Ausgleich von gegebenenfalls auftretenden Dehnungsspannungen ein- tritt. Wie durchgeführte Versuche zeigten,
sind derart hergestellte Hartlotverbindungen zwischen Silberfolien und Keramik mechanisch sehr stabil und auch feuchtig- keits- und gasdicht.
Die Zeichnung charakterisiert eine Ausführungs form der Erfindung als Verfahrensschritt bei der Her stellung einer gekapselten Halbleiteranordnung. Alle in der Zeichnung @dargestellten Teile können der Einfach heit halber als kreisrund angenommen werden.
Das eigentliche Halbleiterelement besteht aus dem Halbleiterkörper 2, welcher Elektroden zur Zu- und Abführung des .Stromes besitzt, und zwei Molybdänschei- ben 3 und 4, die z. B. 20 mm Durchmesser und 3 mm Dicke haben können und die ,zum Schutz ides Halbleiter körpers 2 gegen mechanische Beanspruchungen dienen.
Das aus den Teilen 2, 3 und 4 bestehende Bauelement kann nach einem bekannten Diffusions- oder Legie rungsverfahren hergestellt sein. Dieses Bauelement soll in eine gas- und feuchtigkeitsdichte: Kapselüng einge- schlossen wenden.
Diese Kapsel besteht aus zwei Keramikringen 5 und 6, welche z. B. aus gesintertem Aluminiumoxyd (Sinter- korund) bestehen können, und zwei Metallfolien 7 und 8 der 1. Nebengruppe des Periodensystems:, @die an den Keramikteilen 5 und 6 befestigt sind. Die Folien 7 und 8 haben einen eingedrückten Rand, welcher nach dem Zusammenbau dass seitliche Verrutschen des .aus den Teilen 2, 3 und 4 bestehenden Bauelements verhindert. An den Keramikringen 5 und 6 sind weiter zwei Metall ringe 9 und 10 angebracht, z.
B. hart angelötet, welche aus einer geeigneten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung be- etehen können. Mit Hilfe dieser Ringe 9 und 10 kann die Kapsiel verschlossen werden, indem die Aussenrän der der Teile 9 und 10 miteinander durch Schweissurig, Hartlötung oder Bördelung verbunden werden.
Da die Teile 9 und 10 mit ihrem inneren Rand, der an den Ringen 5 und 6 befestigt ist, bei dieser Behandlung sehr fest aufeinanderhegen, ist eine Gefährdung des Bauelementes innerhalb der Kapselurig durch die beim Schliessen der Kapsel am Aussenrand vorgenommenen Verfahrensschritte ausgeschlossen.
Mehrere in derartige Gehäuse eingeschlossene Halb leiteranordnungen können dann gestapelt und somit elektrisch hintereinandergeschaltet werden, wobei ein auf den Stapel drückender Stempel für die gute Kontakt- gabe der einzelnen Kontaktflächen sorgt. Im schweize rischen Patent Nr. 417 775 ist eine derartige Halbleiter anordnung beschrieben.
Bei der Herstellung .einer derartigen Kapsel kann nun, wie zuvor angegeben, zunächst einmal :der Ring 9 an dem Keramikring 5 angebracht werden. Davor, danach oder zweckmässigerweise gleichzeitig wird die Folie 7 an dem Keramikteil 5 durch Lötung nach dem erfindungsgemässen Verfahren befestigt. Die Folie 7 kann z. B. aus Silber bestehen, das die für die Halb leitereigenschaften geforderte Reinheit aufweist und das als elektrisches Kontaktmaterial sehr geeignet ist. Gemäss der Erfindung wird nun ;die Dicke dieser Folie nicht über 500,u. gewählt, z.
B. normalerweise zwischen 100 und 300,u. Im vorliegenden Beispiel sei angenom men, dass die Folien 7 und 8 eine Dicke von etwa 200 ,ls haben. Dementsprechend wird ;die Dicke der Ringe 5 und 6 grösser als 2 mm, also z. B. zu 3 mm bestimmt. Es zeigt sich, dass bei einer derartigen Be messung sich die Spannungen zwischen Silber und Aluminiumoxyd noch .ausgleichen können. :Beim An löten der Silberfolie an :dem Keramikteil wird weder die Aluminiumfolie zerrissen, noch wird der Keramik ring gesprengt oder zerbrochen, und es tritt auch nicht ein Abreiss; n der Lötverbindung ein.
Beim Anlöten der Folie :an das Keramikteil wird vorzugsweise ein Hartlot verwendet, welches mit dem Material der Folie verwandt .ist, z. B. hat seich bei Silberfolien das Silber-Kupfer-Eutektikum als sehr ge eignet erwiesen. Es besteht aus Silber mit einem Kupfer anteil von etwa 28,5 Gew. %. Es hat eine Schmelz temperatur von 780 C, die Löttemperatur wird zweck mässig etwas über 800 C, also z. B. auf etwa 815 C bemessen.
Das Lot kann in Form eines Pulvers auf die Löt stelle aufgebracht werden. Das Lot kann auch die Form eines Ringes, der aus einer Folie des Lotes von z. B. 50 ,u Dicke gestanzt ist, verwendet werden. Die mit einander zu verbindenden Teile werden zweckmässig in einen Ofen eingebracht und dann .auf die Löttempera- tur, z.
B. 820 C, erwärmt. Danach lässt man den Ofen langsam abkühlen, wobei sozusagen ein Nachtempera der Silberfolie eintritt, wobei sich gewisse Dehnungs spannungen ausgleichen können. Zweckmässigerweise werden die Teile mit einem Temperaturgradienten von weniger als 10 C pro Minute abgekühlt. Der Tempera turrückgang kann etwa durchschnittlich 5 C pro Mi nute betragen. Da die Abkühlung nach einer -e-Funk- tion vor sich geht, kann lediglich ein durchschnittlicher Temperaturgradient angegeben werden.
Es: zeigt sich, dass so hergestellte Hartlotverbindungen zwischen Ke ramik und Metallblechen aus Silber, Kupfer und Gold sehr dauerhaft; und, was in der Halbleitertechnik we sentlich ist, auch gas- und feuchtigkeitsdicht sind.
Nach dem Befestigen der Folien 7 und 8 und der Ringe 9 und 10 an den Keramikteilen 5 und 6 werden die beiden aus den Teilen 7, 5 und 9 bzw. 6, 8 und 10 bestehenden Halbgehäuse aufeinandergelegt und am Rand der Ringe 9 und 10 miteinander verbunden. Dieser Verfahrensschritt wird zweckmässigerweise @in einer Atmosphäre eines neutralen Gases, wie z. B. Stickstoff, vorgenommen, wodurch das Halbleiterbau element innerhalb des Gehäuses in eine derartige At mosphäre eingebettet wird.
Dabei kann bei einem Schweissvorgang der an die Keramikteile 5 und 6 an grenzende Bereich der Teile 9 und 10 z. B. durch. auf gesetzte Metallkörper 11 gekühlt werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform, insbeson dere irn Hinblick auf die Alterungsbeständigkeit der Lötverbindung, wird nach .dem Aufschmelzen des Lotes die Lötverbindung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 8 C pro Minute auf eine Temperatur von weniger als 500 C abgekühlt. Die Lötverbindung wird vorzugsweise mit einer Abkühlungsgeschwindig keit von mehr als 10 C, beispielsweise 12 C pro Minute, abgekühlt. Es ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass das Hartlot das Metallblech nur in geringem Masse oder gar nicht anlegieren kann.
Hinzu kommt, dass das Lot für gewöhnlich nach seinem Aufschmelzen die Nei gung hat, auf Metallflächen sich auszubreiten, und dass diese Möglichkeit -der Ausbreitung durch eine schnelle Abkühlung verhindert wird.
Das Keramikteil kann z. B. aus Aluminiumoxyd be stehen. Es kann an der Lötstelle .in entsprechender Weise metallisiert sein, wie dies z. B. von Hartlötver- bindungen von Keramikteilen mit Eisen-Nickel-Kobalt- Legierungen bekannt ist. Als Lot kann das Silber- Kupfer-Eutektikum verwendet werden, das aus Silber mit einem Kupferanteil von :etwa 28,5 Gewichtsprozent besteht. Es hat eine Schmelztemperatur von 780 C.
Die Löttemperatur kann zu etwa 805 bis 810 C be messen werden. Zweckmässig liegt sie bei etwa 8l'5 C. Das Lot kann in Form einer Folie verwendet werden, die in entsprechender Grösse und Form ausgestanzt wird. Die Folie kann z. B. eine Dicke von 50,u haben. Das Lot kann auch in Form eines Drahtes auf die Verbindungsstelle aufgelegt werden.
Anderseits besteht auch die Möglichkeit, das Lot lediglich an den Rand der Lötstelle anzulegen; bei Erreichen der Schmelztem peratur fliesst es dann in den Raum zwischen ,der Metallfolie und der metallisierten Keramik.
Die Lötung kann in einem Ofen durchgeführt wer den, der in verhältnismässig kurzer Zeit auf die erfor derliche Löttemperatur aufgeheizt werden kann. Vor teilhaft wird ;die Lötung unter Schutzgas vorgenommen, z. B. unter Wasserstoff oder unter Formiergas, einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff. Nach dem Aufschmelzen des Lotes wird ;die Temperatur verhält nismässig schnell abgesenkt. Zu diesem Zweck kann z. B. nach Abschalten eines elektrischen Ofens ein Kühlgas, z. B.
Luft, in den Zwischenraum zwischen Heizwicklung und Muffeleinsatz geblasen werden. Vor teilhaft wird Schutzgas, das sich während des Löt- prozesses ebenfalls erwärmt hat, entfernt und durch neues kaltes Schutzgas ersetzt. Gegebenenfalls kann kaltes Schutzgas, also z. B. Schutzgas von Raumtempe- ratur oder von einer Temperatur, die einige Grad unter 0 C liegt, in erhöhter Menge zum Abkühlen über die Lötstelle geführt werden, z. B.
Wasserstoff aus einer Wasserstoffflasche. .Auf @diese Weise lässt sich eine Ab kühlungsgeschwindigkeit von mehr als 8 C pro Mi nute, gegebenenfalls auch von mehr als 15 C pro Minute erreichen. Es genügt, wenn diese Abkühlungs- ;eschwindngkeit bis .zum Erreichen einer Temperatur von :etwa 500 C eingehalten wird. Danach kann die Abkühlung langsamer erfolgen.
Dies gilt nicht nur für das eben beschriebene Lot aus dem Silber-Kupfer- Eutektsikum, sondern auch für alle anderen Hartlote mit einer Schmelztemperatur von etwa 700 bis 800 C.
Wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit verhältnis mässig klein einsgestellt wird, d. h. also, wenn das Lot über längere Zeit im flüssigen Zustand verbleibt, kann es geschehen, :dass sich in !dem Lot Teile des Silber blechs auflösen und dass eine sehr .harte und spröde Lötstelle entsteht, an der später Risse auftreten können. Ausserdem hat das Lot die Neigung, auf der Silber oberfläche sich auszubreiten, und es kann diese Aus breitung während der gesamten Zeit, in der es;
schmelz flüssig ist, fortsetzen. Daher isst eine rasche Abkühlung zumindest bis unterhalb des Schmelzpunktes, nach Mög lichkeit bis unterhalb von 500 C, erwünscht.
Method for producing a soldered connection There are already soldered connections between metal sheets and ceramic parts. Such soldered connections can be divided into two groups. In one group, the difficulties that arise as a result of the different coefficients of thermal expansion of metals and ceramics are overcome by adapting the metal parts accordingly.
So special metal alloys are used which can serve these purposes. Such metal alloys exist z. B. made of iron, nickel and cobalt and have become known under the trade names Fernico, Kovar and Vacon.
The other group of solder joints can use virtually any solderable metal. In this case, the tensions between metal and ceramic are bridged by a soft soldered connection. In contrast, a hard solder connection between metals of subgroup I of the periodic table of the elements, i.e. the metals copper, silver and gold, and ceramic parts has not become known. The inven tion creates a new process with which the difficulties encountered so far are overcome.
The invention therefore relates to a method for producing a soldered connection between a sheet of metal from I.
Subgroup of the periodic table of the elements and a ceramic part, in particular made of aluminum oxide. According to the invention, it is characterized in that the sheet thickness does not exceed 0.5 mm:
It is chosen that the ceramic part is dimensioned so that it is at least 10 times thicker than that on the soldering surface on which the sheet metal to be soldered lies flat:
Sheet metal and @that a hard solder is used. A solder consisting of the silver-copper eutectic is expediently used, and advantageously, after the solder has melted, the soldered connection is cooled very slowly, compensating for any expansion stresses that may arise. As carried out tests showed
Hard solder connections between silver foils and ceramics produced in this way are mechanically very stable and also moisture- and gas-tight.
The drawing characterizes an embodiment of the invention as a method step in the manufacture of an encapsulated semiconductor arrangement. For the sake of simplicity, all parts shown in the drawing @ can be assumed to be circular.
The actual semiconductor element consists of the semiconductor body 2, which has electrodes for supplying and removing the .Stroms, and two molybdenum disks 3 and 4, the z. B. 20 mm in diameter and 3 mm in thickness and used to protect ides semiconductor body 2 against mechanical stresses.
The component consisting of parts 2, 3 and 4 can be produced by a known diffusion or alloying process. This component should be enclosed in a gas- and moisture-tight: encapsulation.
This capsule consists of two ceramic rings 5 and 6 which, for. B. made of sintered aluminum oxide (sintered corundum), and two metal foils 7 and 8 of the 1st subgroup of the periodic table :, @ which are attached to the ceramic parts 5 and 6. The foils 7 and 8 have an indented edge which, after assembly, prevents the component consisting of parts 2, 3 and 4 from slipping sideways. On the ceramic rings 5 and 6 two metal rings 9 and 10 are attached, for.
B. brazed, which can be made of a suitable iron-nickel-cobalt alloy. With the help of these rings 9 and 10, the capsule can be closed by connecting the outer edges of the parts 9 and 10 to one another by welding, brazing or flanging.
Since the parts 9 and 10 with their inner edge, which is attached to the rings 5 and 6, are very tightly attached to each other during this treatment, the process steps carried out when closing the capsule on the outer edge are not at risk for the component inside the capsule.
Several semiconductor arrangements enclosed in such housings can then be stacked and thus connected electrically one behind the other, a stamp pressing on the stack ensuring good contact is made between the individual contact surfaces. Such a semiconductor arrangement is described in Swiss Patent No. 417 775.
During the production of such a capsule, as previously indicated, first of all: the ring 9 can be attached to the ceramic ring 5. Before, after or expediently at the same time, the film 7 is attached to the ceramic part 5 by soldering using the method according to the invention. The film 7 can, for. B. consist of silver, which has the required purity for the semi-conductor properties and which is very suitable as an electrical contact material. According to the invention, the thickness of this film is not more than 500, u. chosen, e.g.
B. normally between 100 and 300, u. In the present example it is assumed that the foils 7 and 8 have a thickness of approximately 200 ls. Accordingly, the thickness of the rings 5 and 6 is greater than 2 mm, e.g. B. determined to 3 mm. It turns out that with such a measurement the tensions between silver and aluminum oxide can still be equalized. : When soldering the silver foil to: the ceramic part neither the aluminum foil is torn, nor is the ceramic ring burst or broken, and there is also no tear; n the solder joint.
When soldering the foil: a hard solder is preferably used on the ceramic part, which is related to the material of the foil, z. B. has shown that the silver-copper eutectic is very suitable for silver foils. It consists of silver with a copper content of around 28.5% by weight. It has a melting temperature of 780 C, the soldering temperature is conveniently a little over 800 C, so z. B. measured at about 815 C.
The solder can be applied to the soldering point in the form of a powder. The solder can also be in the form of a ring made of a foil of the solder of z. B. 50, u thickness is punched, can be used. The parts to be connected to one another are expediently placed in an oven and then brought to the soldering temperature, e.g.
B. 820 C, heated. The furnace is then allowed to cool slowly, so to speak a post-tempera of the silver foil occurs, whereby certain tensile stresses can be compensated for. The parts are expediently cooled with a temperature gradient of less than 10 ° C. per minute. The temperature drop can be an average of 5 C per minute. Since the cooling takes place according to an -e function, only an average temperature gradient can be specified.
It: shows that brazed connections between ceramic and metal sheets made of silver, copper and gold are very durable; and, which is essential in semiconductor technology, are also gas and moisture tight.
After the foils 7 and 8 and the rings 9 and 10 have been attached to the ceramic parts 5 and 6, the two half-housings consisting of parts 7, 5 and 9 or 6, 8 and 10 are placed on top of one another and on the edge of the rings 9 and 10 together connected. This process step is expediently @in an atmosphere of a neutral gas, such as. B. nitrogen, made, whereby the semiconductor element is embedded within the housing in such a atmosphere.
In this case, during a welding process, the area of the parts 9 and 10 adjacent to the ceramic parts 5 and 6, for. B. by. be cooled on placed metal body 11.
According to a further embodiment, in particular with regard to the aging resistance of the soldered joint, after the solder has melted, the soldered joint is cooled to a temperature of less than 500 ° C. at a cooling rate of at least 8 ° C. per minute. The soldered joint is preferably cooled at a speed of more than 10 C, for example 12 C per minute. This results in the advantage that the hard solder can only alloy the metal sheet to a small extent or not at all.
In addition, after the solder has melted, it usually has a tendency to spread over metal surfaces, and this possibility of spreading is prevented by rapid cooling.
The ceramic part can, for. B. be made of aluminum oxide. It can be metallized in a corresponding manner at the soldering point, as is the case, for. B. of hard solder connections of ceramic parts with iron-nickel-cobalt alloys is known. The silver-copper eutectic, which consists of silver with a copper content of approx. 28.5 percent by weight, can be used as solder. It has a melting temperature of 780 C.
The soldering temperature can be measured to be around 805 to 810 C. It is expediently about 81.5 ° C. The solder can be used in the form of a foil, which is punched out in the appropriate size and shape. The film can e.g. B. a thickness of 50, u have. The solder can also be placed on the connection point in the form of a wire.
On the other hand, there is also the possibility of applying the solder only to the edge of the soldering point; when the melting temperature is reached, it then flows into the space between the metal foil and the metallized ceramic.
The soldering can be carried out in an oven who can be heated to the required soldering temperature in a relatively short time. Before geous; the soldering is carried out under protective gas, z. B. under hydrogen or under forming gas, a mixture of nitrogen and hydrogen. After the solder has melted, the temperature is reduced moderately quickly. For this purpose z. B. after switching off an electric furnace, a cooling gas, z. B.
Air can be blown into the space between the heating coil and the muffle insert. Shielding gas, which has also heated up during the soldering process, is advantageously removed and replaced by new, cold shielding gas. If necessary, cold protective gas, so z. B. protective gas at room temperature or at a temperature which is a few degrees below 0 C, in increased quantities to cool down over the soldering point, z. B.
Hydrogen from a hydrogen bottle. In this way, a cooling rate of more than 8 C per minute, possibly more than 15 C per minute, can be achieved. It is sufficient if this cooling speed is maintained until a temperature of: approx. 500 C is reached. The cooling can then take place more slowly.
This applies not only to the solder from the silver-copper eutectic just described, but also to all other hard solders with a melting temperature of around 700 to 800 C.
If the cooling rate is set to be relatively small, d. H. So if the solder remains in the liquid state for a long time, it can happen that parts of the silver sheet dissolve in the solder and that a very hard and brittle soldering point is created, at which cracks can later appear. In addition, the solder has the tendency to spread on the silver surface, and it can spread this from the entire time it is;
enamel is liquid, continue. Rapid cooling at least to below the melting point, if possible below 500 ° C., is therefore desirable.