Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsmoduls mit einer integrierten Halbleiterschaltanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsmoduls mit einer integrierten Halbleiterschaltanordnung.
Das Verfahren bezweckt u.a. die Schaffung von Schaltungsmodulen mit geringem Kostenaufwand. Es umfasst ferner das Anbringen von sowohl Halbleitervorrichtungen, wie auch passiven Bauteilen auf vorbereitete Substrate, sowie die Anordnung und Unterbringung von einzelnen elektronischen Bauteilen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterwaffeln mit wenigstens je einer Halbleitervorrichtung auf eine wenigstens an einer Stirnfläche ein metallisches Verbindungsmuster aufwei sende Isolierplatte aufgelötet werden, dass hierauf die Isolierplatte auf einem Kopfstück angeordnet wird, das mit Anschlussleitern versehen ist, die durch Löcher der Isolierplatte hindurchführen, und dass diese Leiter mit metallisierten Zonen des genannten Verbindungsmusters verlötet werden.
Nachstehend ist das erfindungsgemässe Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 Siliziumwaffeln, die sich für den Einbau in einer erfindungsgemäss hergestellten Schaltungsmodul eignen, wobei bei (a) eine Draufsicht auf einen Trans stor und bei (b) auf eine Diode gezeigt ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine in Übereinstimmung mit der in Fig. 6 gezeigten Schaltung vorbereitete Grundplatte, auf welcher Siliziumwaffeln durch einen Lötvorgang anzuschliessen sind,
Fig. 3 eine Metalischablone, mittels welcher die Silizinruwaffeln und passiven Stromkreiselemente auf der Grundplatte an der gewünschten Stelle eingesetzt werden können,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Grundplatte mit den aufgelöteten Waffeln,
Fig.
5 eine Seitenansicht des vollständigen Aufbaues des Schaltungsmoduls, in welchem die ausgerüstete Grundplatte auf dem mit acht Anschlüssen versehenen Kopfstück befestigt ist, auf welches eine Metallkappe aufgesetzt ist, und
Fig. 6 die Schaltung, welche dem in den vorangehenden Figuren gezeigten Schaltungsmodul zugrunde liegt.
Die für die Verwendung in den nach vorliegender Erfindung hergestellten Schaltungsmodulen geeigneten Transistoren und Dioden sind anderweitig, z. B. im britischen Patent Nr. 103 615 beschrieben. Diese Vorrichtungen werden nach dem Planarverfahren hergestellt und sind in der Fig. 1 schematisch dargestellt. Die in dieser Figur bei (a) gezeigte npn-Transistorwaffel besitzt einen Kollektorkontakt 1, einen Basiskontakt 2 und einen Emitterkontakt 3, welche Elektroden-Kontakte alle an die gleiche Stirnfläche der Waffel geführt sind.
Über diesen Elektrodenkontakten liegen an ihnen haftende Grossflächenkontakte aus einer aus Gold und Chrom bestehenden Schicht, die sich auch über einen Teil der Oxydschicht auf der Waffeloberfläche erstreckt.
Diese Grossflächenkontakte sind in der Fig. la mit 4 für den Kollektor, 5 für die Basis und 6 für den Emitter bezeichnet. Die Grossflächenkontakte sind je mit einer niedrigen Lötmasse-Anhäufung versehen, die dadurch erhalten wird, dass die Siliziumscheibe vor deren Auftrennung in Transistorwaffeln in einen Tiegel mit flüssiger Lötmasse eingetaucht wird.
Bei (b) der Fig. 1 ist eine Diodenwaffel gezeigt, in welcher der zum Flächenübergang der Diode führende Elektrodenkontakte 7 mit einem Grossflächenkontakt 9 überdeckt ist. Auf der gleichen Seite der Siliziumwaffel ist ein mit der Basis verbundenener Kontakt 10 vorhanden, der von einem Grossflächenkontakt 11 überdeckt ist. Diese Grossflächenkontakte sind ebenfalls je mit einer niedrigen Lötmasse-Anhäufung versehen.
Die dem gewählten Ausführungsbeispiel zugrunde liegende Schaltung nach Fig. 6 soll auf einer Grundplat te für gedruckte Schaltungen gebildet werden, die sich für den Zusammenbau mit dem von der britischen Electronic Valve and Semiconductor Manufacturers Association vorgeschriebenen und acht Anschlussorgane aufweisenden Kopfstück SB 8-1 eignet. Die acht Anschlussleiter dieses Kopfstückes sind in gleichen Abständen voneinander auf einem Kreis mit einem Durchmesser von rund 5 mm angeordnet. Die in der Fig. 2 gezeigte, praktisch kreisrunde Grundplatte aus Isoliermaterial hat eine Dicke von ungefähr 0,75 mm und einen genügend kleinen Durchmesser, um in die zum genannten Kopfstück gehörende Metalikappe eingefügt werden zu können.
Die schraffierten Flächen der Fig. 2 zeigen die nach der in an sich bekannten Weise durchgeführten Ätzung verbleibenden Kupferstreifen.
An dieser Stelle der Herstellung kann, falls erforderlich, die Grundplatte einer Walzverzinnung unterworfen werden.
Für die in Fig. 6 gezeigten Schaltung werden sieben Dioden 12 von der in Fig. 1 (b) gezeigten Art benötigt, ein Transistor 13 gemäss Fig. 1 (a) ferner zwei Widerstände, die vorzugsweise aus Siliziumwaffeln mit Difiu sionszonen bestehen, über denen Gold-Chrom-Kontakte aufgebracht sind, die ebenfalls mit einer Lötmasse bedeckt sind. Anderseits könnten auch Widerstände aus Chromnickel oder einem anderen geeigneten, auf einem Glassubstrat angebrachten Material verwendet werden.
Eine in der Fig. 3 gezeigten Schablone aus Nickel oder rostfreiem Stahl oder Molybdän wird hierauf über die Grundplatte 10 und mittels mechanischer oder otpsicher Hilfsmittel so eingestellt, dass sie richtige Lage auf der Grundplatte einnimmt.
Danach werden die auf der Grundplatte anzubringenden aktiven und passiven Bauteile in die Löcher der Schablone eingesetzt, zu welchem Zwecke sie auf ihrer Rückseite mit Markierungen versehen sein können.
Nun werden die Waffeln erhitzt, so dass die Lötmasse schmilzt und an den gewünschten Stellen der Grundplatte die elektrischen und mechanischen Verbindungen herstellt. Dabei kann das Erhitzen auf viele Arten erfolgen, beispielsweise durch Berührung mit einem heissen Werkzeugteil, oder durch einen Strom heissen und nicht oxydierenden Gases, oder durch Erhitzen der Platte von unten her oder einem Strahlungsheizer oder sonstwie.
Hierauf wird die Schablone entfernt, wobei die Bauteile, nämlich die Dioden 12, der Transistor 13 und die zwei auf einem Glasplättchen 14 aufgedampften Widerstände die in Fig. 4 gezeigten Stellungen einnehmen. Alle Bauteile haben ihre Kontakte zunächst des metallenen Verbindungsmusters 15 der Grundplatte mit dem sie über die Lötmasse verbunden sind.
Die von einem Kreis umgebenen Nummern neben den acht Löchern in der Nähe des Plattenrandes geben die Nummer des Stiftes des Kopfstückes an, mit welchem jener Teil des Verbindungsmusters zu verbinden ist.
An dieser Stelle des Verfahrens kann eine dünne Silikonharzschicht über die hinzugefügten Bauteile aufgespritzt werden, um nötigenfalls die mechanische Festigkeit der Lötverbindungen zu erhöhen.
Die Grundplatte 16 wird auf die goldplattierten Stifte des Kopfstückes 17 aufgesetzt, worauf die Stifte auf irgend eine zweckmässige Art mit den Plattenkontakten, die plattierte Durchgangslöcher sein können, verlötet werden. Die so zusammengebaute Einheit, Fig.
5, wird hierauf mit einem Metallgehäuse 18 versehen, das in der Figur durch strichpun;ktierte Linien angedeutet ist und an die Kopfstück-Befestigungsplatte auge- schweisst wird.
Die Schaltung dieses Ausführungsbeispiels, die in der Fig. 6 gezeigt ist und deren Anschlussstiftnummern angegeben sind, bildet eine Torschaltung, deren genaue Arbeitsweise mittels an den erforderlichen Stellen angelegten Vorspannungen geregelt werden kann.
Die auf den Transistoren und Dioden aufgebrachten Grossflächenkontakte können natürlich auch auf andere Weise mit dem darunter liegenden Silizium verbunden werden. Beispielsweise mag zu diesem Zwecke die direkte Aufbringung einer aus Gold und Chrom bestehenden Schicht auf die frisch gereinigten freigelegten Siliziumflächen ohne irgendwelche Zwischenbehandlung genügen. Wenn die Oberflächenkonzentration an Fremdkörpern dies nicht verbürgt, mag es zweckmässig sein, bei der Herstellung des Halbleiterbauteils einen weiteren Diffusionsprozess durchzuführen, wodurch die Fremdkörper-Oberflächenkonzentration erhöht wird, und dann den Film direkt auf dem gereinigten Silizium anzubringen. Anderseits könnte ein Zwischenkontaktmaterial, beispielsweise Aluminium oder Nickel in an sich bekannter Weise oder in der im britischen Patent Nr.
106 164 beschriebenen Weise verwendet werden.
Beim vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden zuerst die Bauteile auf der Grundplatte montiert und diese erst dann auf dem Kopfstück.
Natürlich könnte die Grundplatte zuerst auf dem Kopfstück angebracht werden und die Bauteile erst nachher.
Ebenso könnte der Silikonharzfilm in irgend einem Zeitpunkt des Verfahrens vor oder nach dem Anbringen der Grundplatte auf dem Kopfstück aufgespritzt werden.
Unter gewissen Umständen mag es wünschbar sein, anstelle von Dioden entsprechend zusammengeschaltete Transistoren zu verwenden, wozu lediglich gewisse kleine Änderungen erforderlich sind.
Im obigen Ausführungsbeispiel wurde eine npn Schaltung beschrieben.
Bs ist jedoch auch möglich, einen pnp-Transistor zu verwenden, wobei sich natürlich einige kleine Anderun- gen in den andern Bauteilen und/oder den Vorspannunge aufdrängen. Weiter wurden nach dem Pianarverfah- ren hergestellte Silizium-Transistoren und -Dioden beschrieben, die zur Zeit als die besten gelten. Es könnten aber auch andere solche aus anderem Material und von anderem Aufbau verwendet werden, falls sie so umgebildet sind, dass Gronssflächenkontakte angebracht werden können.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel werden ein einziger Transistor, einige Dioden und einige Widerstände verwendet. Es können aber auch andere Bauteile, beispielsweise Kondensatoren, verwendet werden, falls ihnen eine für den beschriebenen Zweck dienliche körperliche Form gegeben wird.
Die Schaltung des beschriebenen Ausführungsbeispiels wird als von grossem praktischen Nutzen erachtet, doch können natürlich auch andere Schaltungen zu Schaltungsmodulen durchgebildet werden.
Für die Grundplatte kann handelsüblicher, mit Kupfer überzogener Schichtpressstoff oder eine überzogene keramische Platte oder Glas oder ein sonstiges Material verwendet werden.
An Stelle des weitverbreiteten achtpoligen Kopfstük kes können andere Arten verwendet werden, wobei zur Zeit solche mit drei bis sechzehn Stiften erhältlich sind.
Es können, besonders dort wo eine Reduktion induktiver Einflüsse erwünscht ist, auch eine grössere Anzahl Leiter verwendet werden.
Ferner kann anstelle einer Metallkappe für das Kopfstück eine aus härtbarem oder thermoplastischem Kunststoff bestehende Kappe verwendet werden, wie dies im britischen Patent Nr. 103 615 beschrieben ist.
Method for producing a circuit module with an integrated semiconductor switching arrangement
The invention relates to a method for producing a circuit module with an integrated semiconductor switching arrangement.
The purpose of the procedure is, inter alia the creation of circuit modules at low cost. It also includes the mounting of both semiconductor devices and passive components on prepared substrates, as well as the arrangement and accommodation of individual electronic components.
The method according to the invention is characterized in that semiconductor wafers, each with at least one semiconductor device, are soldered onto an insulating plate which has a metallic connection pattern on at least one end face, and that the insulating plate is then placed on a head piece which is provided with connecting conductors which pass through holes in the insulating plate pass through, and that these conductors are soldered to metallized zones of said connection pattern.
The method according to the invention is described in greater detail below with reference to the accompanying drawing, for example.
In the drawing shows:
Fig. 1 silicon wafers which are suitable for installation in a circuit module produced according to the invention, with (a) a plan view of a Trans stor and (b) a diode is shown,
FIG. 2 shows a plan view of a base plate prepared in accordance with the circuit shown in FIG. 6, to which silicon wafers are to be connected by a soldering process.
3 shows a metal template, by means of which the silicon nuke waffles and passive circuit elements on the base plate can be inserted at the desired location,
4 shows a plan view of the base plate with the wafers soldered on,
Fig.
5 shows a side view of the complete construction of the circuit module in which the equipped base plate is fastened on the head piece provided with eight connections, on which a metal cap is placed, and
6 shows the circuit on which the circuit module shown in the preceding figures is based.
The transistors and diodes suitable for use in the circuit modules produced according to the present invention are otherwise, e.g. Described in British Patent No. 103,615. These devices are manufactured according to the planar process and are shown schematically in FIG. The npn transistor wafer shown in this figure at (a) has a collector contact 1, a base contact 2 and an emitter contact 3, which electrode contacts are all led to the same face of the wafer.
Above these electrode contacts there are large-area contacts that adhere to them and consist of a layer made of gold and chrome, which also extends over part of the oxide layer on the wafer surface.
These large area contacts are denoted in Fig. La with 4 for the collector, 5 for the base and 6 for the emitter. The large area contacts are each provided with a low amount of soldering compound, which is obtained by dipping the silicon wafer into a crucible with liquid soldering compound before it is cut into transistor wafers.
At (b) of FIG. 1, a diode wafer is shown in which the electrode contact 7 leading to the surface transition of the diode is covered with a large surface contact 9. On the same side of the silicon wafer there is a contact 10 which is connected to the base and is covered by a large-area contact 11. These large area contacts are also each provided with a low amount of soldering compound.
The circuit according to FIG. 6, on which the selected embodiment is based, is to be formed on a base plate for printed circuits which is suitable for assembly with the head piece SB 8-1, which is prescribed by the British Electronic Valve and Semiconductor Manufacturers Association and has eight connection elements. The eight connection leads of this head piece are arranged at equal distances from one another on a circle with a diameter of around 5 mm. The practically circular base plate made of insulating material shown in FIG. 2 has a thickness of approximately 0.75 mm and a sufficiently small diameter to be able to be inserted into the metal cap belonging to the named head piece.
The hatched areas of FIG. 2 show the copper strips remaining after the etching carried out in a manner known per se.
At this point of manufacture, the base plate can, if necessary, be subjected to roll tinning.
For the circuit shown in Fig. 6, seven diodes 12 of the type shown in Fig. 1 (b) are required, a transistor 13 according to FIG. 1 (a) and two resistors, which are preferably made of silicon wafers with Difiu sion zones over which Gold-chrome contacts are applied, which are also covered with a solder. On the other hand, resistors made of chrome-nickel or another suitable material attached to a glass substrate could also be used.
A template made of nickel or stainless steel or molybdenum shown in FIG. 3 is then adjusted via the base plate 10 and by means of mechanical or otpsafe aids in such a way that it assumes the correct position on the base plate.
Then the active and passive components to be attached to the base plate are inserted into the holes of the template, for which purpose they can be provided with markings on their back.
Now the wafers are heated so that the solder melts and the electrical and mechanical connections are made at the desired points on the base plate. The heating can be done in many ways, for example by contact with a hot tool part, or by a stream of hot and non-oxidizing gas, or by heating the plate from below or a radiant heater or otherwise.
The template is then removed, with the components, namely the diodes 12, the transistor 13 and the two resistors vapor-deposited on a glass plate 14, assuming the positions shown in FIG. All components have their contacts initially of the metal connection pattern 15 of the base plate to which they are connected via the soldering compound.
The numbers surrounded by a circle next to the eight holes near the edge of the plate indicate the number of the pin of the head piece to which that part of the connection pattern is to be connected.
At this point in the process, a thin silicone resin layer can be sprayed over the added components in order to increase the mechanical strength of the soldered connections if necessary.
The base plate 16 is placed on the gold-plated pins of the head piece 17, whereupon the pins are soldered in some convenient way to the plate contacts, which can be plated through holes. The unit thus assembled, Fig.
5, is then provided with a metal housing 18, which is indicated in the figure by dashed lines and is welded to the head piece mounting plate.
The circuit of this exemplary embodiment, which is shown in FIG. 6 and whose pin numbers are indicated, forms a gate circuit, the precise mode of operation of which can be regulated by means of bias voltages applied at the required points.
The large area contacts applied to the transistors and diodes can of course also be connected to the underlying silicon in other ways. For example, the direct application of a layer consisting of gold and chromium to the freshly cleaned exposed silicon surfaces without any intermediate treatment may be sufficient for this purpose. If the surface concentration of foreign bodies does not guarantee this, it may be expedient to carry out a further diffusion process during the manufacture of the semiconductor component, which increases the surface concentration of foreign bodies, and then to apply the film directly to the cleaned silicon. On the other hand, an intermediate contact material, for example aluminum or nickel, could be used in a manner known per se or in the manner described in British Patent No.
106 164 can be used.
In the embodiment described above, the components are first mounted on the base plate and only then on the head piece.
Of course, the base plate could be attached to the head piece first and the components only afterwards.
Likewise, the silicone resin film could be sprayed on at any point in the process before or after the base plate is attached to the head piece.
In certain circumstances it may be desirable to use appropriately interconnected transistors instead of diodes, which requires only certain small changes.
In the above exemplary embodiment, an npn circuit was described.
However, it is also possible to use a pnp transistor, with some small changes in the other components and / or the bias voltages of course imposing themselves. Silicon transistors and diodes manufactured according to the piano process were also described, which are currently considered to be the best. However, other materials made of a different material and of a different structure could also be used if they are modified in such a way that large surface contacts can be attached.
In the described embodiment, a single transistor, a few diodes and a few resistors are used. However, other components, for example capacitors, can also be used if they are given a physical shape that is useful for the purpose described.
The circuit of the exemplary embodiment described is considered to be of great practical use, but other circuits can of course also be implemented to form circuit modules.
Commercially available, copper-coated laminate or a coated ceramic plate or glass or other material can be used for the base plate.
Other types can be used in place of the widespread eight-pin head piece, with three to sixteen pin types currently available.
A larger number of conductors can be used, particularly where a reduction in inductive influences is desired.
Furthermore, instead of a metal cap for the head piece, a cap made of curable or thermoplastic material can be used, as is described in British Patent No. 103,615.