DE1120603B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

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DE1120603B DES66619A DES0066619A DE1120603B DE 1120603 B DE1120603 B DE 1120603B DE S66619 A DES66619 A DE S66619A DE S0066619 A DES0066619 A DE S0066619A DE 1120603 B DE1120603 B DE 1120603B
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
S 66619 Vmc/21g
ANMELDETAG: 13. J A N U A R 1960
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 28. DEZEMBER 1961
Halbleiterelemente mit pn-Übergangsschichten in einkristallinen Halbleiterkörpern, ζ. Β. aus Germanium oder Silizium, müssen wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen in ein evakuiertes oder mit einem Schutzgas gefülltes Gehäuse eingeschlossen werden. Es ist bekannt, das einschließlich seiner Elektroden fertiggestellte Halbleiterelement durch Lötung flächenhaft mit einer Wand des Gehäuses, z. B. dessen Boden, zu verbinden. Da das Gehäuse die Verlustwärme des Halbleiterelementes ableiten muß, wird es in der Regel aus Kupfer gefertigt, das einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, während die aufgelötete Elektrodenplatte des Halbleiterelementes im allgemeinen aus einem Material, wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram, besteht, das etwa den gleichen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten hat wie der Halbleiterkörper.
Es ist bekannt, die aus Molybdän oder Wolfram bestehende Elektrodenplatte eines Gleichrichterelementes durch Hartlötung mit einem aus Kupfer bestehenden, wärmeableitenden Bauteil zu verbinden. Hierbei ergibt sich die Schwierigkeit, daß für die Herstellung der Hartlotverbindung eine Temperatur von etwa 700° C erforderlich ist, die das Halbleiterelement, insbesondere den bereits dotierten Halbleiterkörper, gefährden kann. Stellt man andererseits die Verbindung zwischen der Elektrodenplatte und dem kupfernen Bauteil durch Weichlötung her, so kann es vorkommen, daß die Weichlotschicht den bei Temperaturänderungen auftretenden mechanischen Spannungen auf die Dauer nicht gewachsen ist. Dieser Mangel kann insbesondere bei solchen Halbleiteranordnungen auftreten, die durch häufiges Ein- und Ausschalten der Belastung thermisch besonders stark beansprucht werden, beispielsweise bei Fahrzeugoder Schweißgleichrichtern.
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist es bereits vorgeschlagen worden, das metallische Bauteil, z. B. den Gehäuseboden, zunächst mit einer hart angelöteten Auflage zu versehen, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie die angrenzende Elektrodenplatte des Halbleiterelementes, und dann das Halbleiterelement durch Weichlötung mit dieser Auflage zu verbinden. Auf diese Weise grenzt die Weichlotschicht bei der fertigen Anordnung an Bauteile, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß sie bei Temperaturänderungen im wesentlichen frei von inneren Spannungen bleibt. Dadurch wird die Dauerfestigkeit der Weichlotschicht und damit die Lebensdauer der gesamten Anordnung erheblich er-Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
Anmelder: Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Hans Schering, Berlin-Haselhorst,
und Dr. rer. nat. Kurt Raithel, Uttenreuth (Bay.), sind als Erfinder genannt worden
höht. Die Hartlotschicht, in die die thermischen Spannungen verlagert werden, hat ein wesentlich festeres Gefüge als die Weichlotschicht und wird durch sie nicht merklich beeinflußt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer pn-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper, bei dem ein einschließlich seiner ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper aufweisenden Elektrodenplatten fertiggestelltes Halbleiterelement durch Lötung flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden wird, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als der Halbleiterkörper. Die Erfindung liefert eine weitere Lösung für das Problem, die Spannungen, die bei Temperaturänderungen der Halbleiteranordnung in einer Weichlotschicht entstehen, zu vermindern. Sie besteht darin, daß die mit dem metallischen Bauteil zu verbindende Elektrodenplatte mit einer stoffschlüssig hart anlegierten bzw. hart angelöteten Auflage versehen wird, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das metallische Bauteil, daß die betreffende Elektrodenplatte nach dem Anlegieren bzw. nach oder gleichzeitig mit dem Anlöten der Auflage mit dem Halbleiterkörper verbunden wird und daß dann das so hergestellte Halbleiterelement an das metallische Bauteil weich angelötet wird. Man kann also die Auflage mit der Elektrodenplatte verbinden, bevor diese mit dem Halbleiterkörper vereinigt wird, z. B. in der Weise, daß man die Auflage auf die Elektrodenplatte aufwalzt bzw. für die Elektrodenplatte unmittelbar ein Material mit entsprechender Plattierung verwendet.
109 757/497
Bei einem derartigen Aufwaken, das in üblicher Weise bei erhöhter Temperatur vorgenommen wird, bildet sich eine Legierung hoher Festigkeit zwischen den Materialien der Elektrodenplatte und der Auflage, durch die eine innige, gegen Temperaturänderungen widerstandsfähige Verbindung beider Bauelemente hergestellt wird. Man kann jedoch auch die Auflage mit der Elektrodenplatte hart verlöten. Bei Halbleiteranordnungen, deren Halbleiterkörper nach dem Legierungsprinzip dotiert wird, kann man mit besonderem Vorteil die Verbindung der Auflage mit der Elektrodenplatte durch Hartlötung gleichzeitig mit dem Einlegieren der Dotierungssubstanzen vornehmen. Vorzugsweise wird man für die Auflage das gleiche Material verwenden, aus dem das metallische Bauteil besteht; man kann also beispielsweise zwecks Verbindung des Halbleiterelementes mit dem Boden eines kupfernen Gehäuses für die Auflage ebenfalls Kupfer verwenden.
Das vorliegende Verfahren ist, wie bereits angedeutet, in erster Linie für die Verbindung eines pn-Halbleiterelementes mit dem Boden seines Gehäuses von Bedeutung. Man kann es jedoch auch mit den gleichen Vorteilen zur Verlötung einer flexiblen Stromzuleitung mit einer Elektrode eines solchen Elementes verwenden.
Das Verfahren nach der Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2, erläutert.
In Fig. 1 ist ein Silizium-pn-Gleichrichter 1 dargestellt, wobei die Teile 2 bis 8 einem üblichen Aufbau des Elementes entsprechen. Die Dickenmaße der einzelnen Schichten sind zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Mit 2 ist eine einkristalline Siliziumplatte bezeichnet, die in bekannter Weise zur Herstellung eines gleichrichtenden pn-Übergangs dotiert ist. An der Unterseite der Siliziumplatte 2 befinden sich eine dünne Aluminiumschicht 3 und eine relativ dicke Molybdänplatte 4, die zur Verbesserung der Lötfähigkeit noch mit einer Eisen-Nickel-Legierung 5 plattiert ist. Auf der Oberseite der Siliziumplatte 2 liegen eine Goldschicht 6 und eine Molybdänplatte 7, die ebenfalls mit einer Eisen-Nickel-Plattierung 8 versehen ist. Die relativ dicken Molybdänplatten 4 und 7 haben etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α = 5,1 · 10 -6 · grad"1) wie die Siliziumplatte 2 (a?»5 · 10 6-grad 0; das gesamte Element 1 verhält sich daher bei Temperaturänderungen etwa wie ein einheitlicher Körper, da die dünnen Zwischenschichten 3 und 6 aus Aluminium bzw. Gold keine wesentlichen Spannungen erzeugen. Für die Elektrodenplatten 4 und 7 kann auch Wolfram (« = 4,5 · 10-6 · grad"1) verwendet werden.
In Fig. 2 sind die wesentlichen Teile der gesamten Halbleiteranordnung vor dem Zusammenbau dargestellt. Das Gleichrichterelement ist wieder mit 1 bezeichnet. Das Gehäuse des Elementes ist als dickwandiger Becher 10 aus Kupfer (α = 16,5 · 10 ~8 · grad-1) ausgebildet. Es besteht nun die Aufgabe, das Gleichrichterelement 1 mit dem Boden 12 des Behälters 10 zu verbinden. Hierzu wird gemäß Fig. 1 die Molybdänplatte 4 mit einer Kupferplatte 11 mittels einer Hartlotschicht 11α verbunden. Die so gebildete Einheit wird dann mit dem Boden 12 weich verlötet, so daß die Weichlotschicht zwischen der Kupferplatte 11 und dem ebenfalls aus Kupfer bestehenden Boden des Gehäuses 10 liegt. Diese Lötung wird bei Temperaturen um etwa 200° C durchgeführt, die das Element 1 nicht gefährden.
Es ist üblich, die Molybdänplatte 4 mit dem Silizium-Halbleiterkörper 2 in einem Zuge mit dem Legierungsvorgang zu verbinden, durch den der Siliziumkörper 2 mit Aluminiumstörstellen dotiert wird. Hierzu werden die Molybdänplatte 4, eine Aluminiumfolie 3 und der Siliziumkristall 2 übereinandergelegt und auf eine Temperatur von etwa 780c C gebracht, bei der die Aluminiumfolie 3 sowohl mit dem Siliziumkristall 2 als auch mit der Molybdänplatte 4 legiert, also eine dauerhafte Verbindung eingeht. Man kann nun im Rahmen des vorliegenden Verfahrens bereits vor diesem Schritt die noch selbständige Molybdänplatte 4 mit einer hart aufgelöteten Kupferplatte 11 versehen; man kann jedoch auch mit besonderem Vorteil die Hartverlötung zwischen der Molybdänplatte 4 und der Kupferplatte 11 gleichzeitig mit der Legierung zwischen den Teilen 2, 3 und 4 vornehmen. Für die Verbindung zwischen den Teilen 4 und 11 kann man hierbei beispielsweise ein Hartlot 11a verwenden, das aus 65% Silber, 27 β/» Kupfer, 4% Mangan und 4% Nickel besteht. Dieses Hartlot hat einen Schmelzpunkt von 720° C. so daß es bei der obengenannten Legierungstemperatur flüssig wird.
An die obere Elektrodenplatte 7 bzw. deren Plattierung 8 des Halbleiterelementes 1 ist eine flexible Stromzuleitung in Form eines Kupferbandes oder -seiles anzulöten. Hierfür ist das Band mit einem kupfernen Schuh 14 versehen. Man kann auch für diese Verbindung das vorliegende Verfahren anwenden, indem man zunächst auf die Elektrodenplatte 7 eine Kupferplatte 15 mittels einer Hartlotschicht 15 α auflötet. Auch diese Lötung kann, wie oben geschildert, gleichzeitig mit dem Einlegieren der Dotierungssubstanzen in den Halbleiterkörper 2 vorgenommen werden. Zur Verbindung der Auflage 15 mit dem Schuh 14 dient wieder eine Weichlötung. Dieser Verfahrensschritt kann vor, nach oder gleichzeitig mit dem Einsetzen des Elementes 1 in den Becher 10 vorgenommen werden.
Statt die Kupferauflagen 11 und 15 durch Hartlötung mit den Platten 4 bzw. 7 zu verbinden, kann man sie auch durch Aufwalzen an die Eisen-Nickel-Plattierungen 5 bzw. 8 anlegieren bzw. die Elektrodenplatten unmittelbar aus einem Material herstellen, bei dem eine Molybdän- oder Wolfram-Grundplatte mit einer Eisen-Nickel-Plattierung und zusätzlich einer Kupferplattierung versehen ist. Statt der Eisen-Nickel-Legierung kann z. B. auch eine Plattierung aus reinem Nickel verwendet werden. Beim Aufwalzen des Kupfers auf die Eisen-Nickel- oder Nickelschicht bildet sich an der Grenzfläche beider Teile eine Kupfer-Nickel-Legierung hoher Festigkeit, die ähnlich wie eine Hartverlötung unempfindlich gegen thermische Spannungen ist, die bei Temperaturänderungen die fertigen Anordnung auftreten.
Die weitere Herstellung verläuft dann in an sich bekannter Weise derart, daß die Kupfermanschette 16 der flexiblen Zuleitung 13 durch eine nicht dargestellte Metall-Glas-Verschmelzung mit dem oberen Rand des Bechers 10 verbunden wird. Der Innenraum des Gehäuses wird dann evakuiert und abgeschlossen. Statt einer einzigen Auflageplatte 11 bzw. 15 können auch mehrere Auflageplatten mit Ausdehnungskoeffizienten, die abgestuft zwischen dem von Kupfer (α = 16,5 · 10~° · grad-1) und dem von Molybdän (α = 5,1 · 10-6 · grad-1) liegen, hart auf die Molybdänplatte 4 bzw. 7 aufgelötet werden. Auf diese Weise
können die thermischen Spannungen, die bei Temperaturänderungen der Anordnung auftreten, auf mehrere Hartlotschichten verteilt und entsprechend vermindert werden. Man kann beispielsweise zwischen der Platte 4 und der Platte 11 eine Palladiumplatte (α = 10,6 · 10-6 · grad-1) anordnen. Andere hierfür geeignete Metalle sind z. B. Platin (α = 8,9 · 10-β · grad-1), Eisen (α = 11,5 · 10~6 · grad 1X Nickel (α = 12,5 -ΙΟ-6· grad-1) und Gold (α = 14,2 · 10-β · grad ί) oder Eisen-Nickel-Legierungen, deren ίο Ausdehnungskoeffizient je nach ihrer Zusammensetzung in weiten Grenzen variiert. Eisen, Nickel und ihre Legierungen haben jedoch insofern einen gewissen Nachteil, als sie wegen ihres Ferromagnetismus erhöhte Wirbelstromverluste aufweisen. Bei Plattendicken bis zu etwa 1 mm ist dieser Effekt jedoch unbedeutend.
Grundsätzlich ist zu bemerken, daß eine Kupferauflage 11 mit einer Dicke von 1 bis 2 mm bei einem Durchmesser des Gleichrichterelementes von etwa 20 mm bereits ausreicht, die thermischen Spannungen von der Weichlotschicht zwischen der Auflageplatte 11 und dem Boden 12 des Bechers 10 fernzuhalten.
Die Erfindung wurde an Hand des Aufbaus einer Silizium-Gleichrichteranordnung erläutert. Sie ist jedoch auch bei anderen pn-Halbleiteranordnungen mit einkristallinem Halbleiterkörper verwendbar.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung einer pn-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper, bei dem ein einschließlich seiner ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper aufweisenden Elektrodenplatten fertiggestelltes Halbleiterelement durch Lötung flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden wird, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als der Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem metallischen Bauteil zu verbindende Elektrodenplatte mit einer stoffschlüssig hart anlegierten bzw. hart angelöteten Auflage versehen wird, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das metallische Bauteil, daß die betreffende Elektrodenplatte nach dem Anlegieren bzw. nach oder gleichzeitig mit dem Anlöten der Auflage mit dem Halbleiterkörper verbunden wird und daß dann das so hergestellte Halbleiterelement an das metallische Bauteil weich angelötet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage auf die Elektrodenplatte aufgewalzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auflage das gleiche Material verwendet wird, aus dem das metallische Bauteil besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit dem Boden seines Gehäuses verlötet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit einer flexiblen Stromzuleitung verlötet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 190 593.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 757/497 12.61
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