DE1164801B

DE1164801B - Method for producing a solder connection between a lead and the alloyed electrode of a semiconductor device

Info

Publication number: DE1164801B
Application number: DEA33136A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Chem Heinz-Guenth Plust; Dr Rer Nat Erich Weisshaar
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1959-10-15
Filing date: 1959-10-28
Publication date: 1964-03-05

Description

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einer Zuleitung und der einlegierten Elektrode einer Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, beispielsweise Gleichrichter und Transistoren, welche einen teilweise mit Gold als Legierungssubstanz legierten Halbleiterkörper enthalten, und betrifft die Herstellung einer Lötverbindung zwischen einer Zuleitung und der aus Gold bestehenden einlegierten Elektrode.Method for producing a soldered connection between a supply line and the alloyed electrode of a semiconductor device. The invention relates on semiconductor devices, such as rectifiers and transistors, which contain a semiconductor body partially alloyed with gold as an alloy substance, and relates to the production of a soldered connection between a lead and the gold alloyed electrode.

Es ist bekannt, für diese Kontaktierung ein Lot zu verwenden, das aus einer Gold-Blei-Legierung oder einer Gold-Blei-Antimon-Legierung besteht. Derartige Lote müssen auf Temperaturen von 250 bis 300° C gebracht werden, damit sie das mit dem Halbleiterkörper zu verbindende Ende der Zuleitung, welche beispielsweise aus Kupfer besteht, ausreichend benetzen. Wird nun aber ein derartiges Lot auf diese Temperatur gebracht, so löst es das gesamte auf der Halbleiteroberfläche befindliche Gold auf und bildet mit diesem eine homogene Schmelze, die bis auf die Rekristallisationsfront des Halbleitermaterials hinabreicht. Dies hat nun verschiedene Nachteile für den Gleichrichter zur Folge: 1: Infolge der unterschiedlichen Oberflächenspannung des vorher mit der Rekristallisationsfront in Berührung gestandenen Goldes und der nun vorliegenden homogenen Blei-Gold-Schmelze werden wegen der zackigen Ausbildung der Rekristallisationsfront vorhandene kleinere Spalten nicht ausgefüllt. Dies bedeutet, daß der übergang Lot-Rekristallisationsfront Lunker erhält.It is known to use a solder for this contact that consists of a gold-lead alloy or a gold-lead-antimony alloy. Such Solders have to be brought to temperatures of 250 to 300 ° C so that they can do this with the end of the lead to be connected to the semiconductor body, which for example consists of Copper exists, wet it sufficiently. But now such a plumb line is applied to this Brought temperature, it dissolves everything located on the semiconductor surface Gold and forms a homogeneous melt with it, which extends to the recrystallization front of the semiconductor material reaches down. This now has various disadvantages for the Rectifier result in: 1: As a result of the different surface tension of the gold previously in contact with the recrystallization front and now present homogeneous lead-gold melt because of the jagged formation of the Small gaps present in the recrystallization front not filled. This means, that the transition from solder to recrystallization front receives voids.

2. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des vorher an der Grenzfläche befindlichen Goldes und der sich nun aus der homogenen Schmelze neu ergebenden Legierung führen beim Abkühlen.zu einer mechanischen Beanspruchung des Halbleiterkörpers im Rekristallisationsbereich. Dadurch wird dessen mechanische Stabilität sowie auch die des pn-Überganges ungünstig beeinflußt.2. The different expansion coefficients of the previously at the The interface between the gold and the new from the homogeneous melt resulting alloy lead to mechanical stress on the Semiconductor body in the recrystallization area. This makes its mechanical Stability as well as that of the pn junction adversely affected.

3. Die erwähnten Lote werden durch Goldaufnahme sehr spröde und starr und verlieren da= durch die zur Vermeidung von mechanischen Schäden notwendige Eigenschaften eines duktilen Bindegliedes zwischen dem spröden Halbleiterkörper - insbesondere dem elektrisch wi-htigen Rekristallisations- und pn-Bereich -und der mit ihm zu verbindenden Zuleitung, deren Querschnitt verhältnismäßig sehr groß ist.3. The above-mentioned solders become very brittle and rigid as a result of the uptake of gold and thereby lose the properties necessary to avoid mechanical damage a ductile link between the brittle semiconductor body - in particular the electrically important recrystallization and pn area - and the one with it connecting supply line, the cross-section of which is relatively very large.

Diese Nachteile können gemildert werden, wenn die Kontaktierung bei niedrigerer Temperatur vorgenommen wird. Es wird dann nicht das gesamte Gold im Lot gelöst, andererseits ist aber die Benetzung der Zuleitung schlechter und gibt Anlaß zu einer Verbindung mit mangelhaften Eigenschaften. Außerdem ist dadurch die Versprödung des Lotes durch Goldaufnahme nur vermindert, aber keineswegs beseitigt. Die Gefahr der Beschädigung des Halbleiterkörpers bei mechanischer Beanspruchung der Zuleitung besteht daher weiter.These disadvantages can be alleviated if the contact is made lower temperature is made. Then not all of the gold will be in the Solder loosened, on the other hand the wetting of the supply line is worse and gives Give rise to a connection with poor properties. It also makes the Embrittlement of the solder due to the uptake of gold is only reduced, but by no means eliminated. The risk of damage to the semiconductor body in the event of mechanical stress the supply line therefore continues.

Es ist ferner bekannt, die Auflösung des auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Goldes dadurch zu verhindern, daß dem Lot eine derartige Menge Gold zugesetzt wird, daß während des Lötprozesses mit der maximalen Löttemperatur, das Lot stets mit Gold gesättigt ist. Durch diese Maßnahme wird wohl verhindert, daß bei der Lötung Gold von der Elektrode gelöst wird, dagegen ist die Benetzung der Elektrode durch das Lot verschlechtert. Damit auch bei der maximalen Löttemperatur das Lot unter Berücksichtigung möglicher Temperaturschwankungen mit Gold gesättigt ist, muß dem Lot eine größere Menge Gold zugesetzt sein, als es zur Erreichung der Sättigung bei der vorgesehenen Löttemperatur nötig wäre. Es wird also im Lot ungelöstes Gold vorhanden sein, was die Güte der Lötverbindung beeinträchtigt.It is also known, the dissolution of the on the semiconductor surface to prevent existing gold by adding such an amount of gold to the solder is added that during the soldering process with the maximum soldering temperature, the Lot is always saturated with gold. This measure is likely to prevent Gold is loosened from the electrode during soldering, whereas wetting is the Electrode deteriorated by the solder. This also applies to the maximum soldering temperature the solder is saturated with gold, taking into account possible temperature fluctuations is, a larger amount of gold must be added to the solder than is necessary to achieve the Saturation at the intended soldering temperature would be necessary. So it becomes unresolved in balance Gold may be present, which affects the quality of the soldered connection.

Die Erfindung gründet sich nun auf den Gedanken, ein Lot zu verwenden, dessen Schmelztemperatur sich bei Aufnahme von Gold stetig erhöht, wobei es bei einer Temperatur von 300° C nicht mehr als etwa 10% Ciold in Lösung enthalten soll. Dabei soll sich die Härte des Lotes nicht verändern. Außerdem soll natürlich das Lot duktil sein und die Zuleitung ausreichend benetzen. Es wurde gefunden, daß das an sich bekannte Blei-Kadmium-Lot mit eutektischer Zusammensetzung (82,6 Gewichtsprozent Blei) diesen Anforderungen genügt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach gekennzeichnet durch die Verwendung des an sich bekannten Blei-Kadmium-Lotes mit eutektischer Zusammensetzung als Lot für den speziellen erfindungsgemäßen Zweck.The invention is based on the idea of using a solder the melting temperature of which increases steadily when gold is absorbed, with it at a temperature of 300 ° C should not contain more than about 10% Ciold in solution. It should the hardness of the solder does not change. Also should Of course, the solder must be ductile and adequately wet the lead. It was found, that the known lead-cadmium solder with eutectic composition (82.6 Percent by weight lead) meets these requirements. The inventive method is therefore characterized by the use of the known lead-cadmium solder with eutectic composition as solder for the special purpose according to the invention.

Zur Durchführung des Verfahrens kann eine aus der genannten Legierung geformte Scheibe zwischen die mit Gold legierte Elektrode des Halbleiterkörpers und die mit dieser zu verbindenden Fläche der Zuleitung gelegt und anschließend das Ganze auf eine Temperatur von 250 bis 300° C gebracht werden. Dabei schmilzt das Lot; im Gegensatz zu den bekannten Loten nimmt es aber eine beschränkte Menge von höchstens 10% seines Eigengewichtes an Gold in Lösung auf. Es wird demzufolge oberflächlich etwas Gold von der Elektrode abgelöst, so daß eine gute Benetzung erfolgt, die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der pn-übergangszone aber unbeeinflußt bleiben. Trotz der Goldaufnahme bleibt hierbei die Duktilität des Lotes praktisch erhalten. Gegenüber dem bekannten Lot, welches mit zugesetztem Gold gesättigt ist, besteht außerdem der Vorteil, daß die Herstellung des Lotes wesentlich einfacher ist und seine Zusammensetzung leichter kontrollierbar ist.To carry out the method, one of the aforementioned alloy shaped disk between the gold-alloyed electrode of the semiconductor body and laid the surface of the supply line to be connected to this and then the whole be brought to a temperature of 250 to 300 ° C. It melts the plumb bob; In contrast to the well-known plumb bobs, however, it takes a limited amount of no more than 10% of its own weight in gold in solution. It will be accordingly Some of the gold on the surface is detached from the electrode, so that good wetting is achieved takes place, but the electrical and mechanical properties of the pn transition zone remain unaffected. Despite the uptake of gold, the ductility of the solder remains practically preserved. Compared to the well-known solder, which is saturated with added gold is, there is also the advantage that the manufacture of the solder is much easier and its composition is easier to control.

Claims

Claim: Method for producing a soldered connection between a lead and the gold alloyed electrode of a semiconductor device, characterized in that the known binary lead-cadmium solder is used as the solder with eutectic composition (82.6% lead) is used. Considered Publications: German Auslegeschrift No. 1008 088; M. H a n s e n, »The structure of the binary alloys ”, 1936, pp. 210 and 440; E. R. Th e w s, »Metallurgy, Technology and application of soft solders ", 1953, p. 84.