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Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiterkörpem für Halbleiterbauelemente
Die Anwendung von Halbleiterbauelementen als Gleichrichter, elektronische Schalter,
Verstärker, Spannungsbegrenzer u. dgl. setzt die einwandfreie, elektrisch sperrfreie
Anbringung von Leitungsanschlüssen voraus, die einerseits einen geringen ohmschen
Widerstand und eine gute Wärmeableitung aufweisen und andererseits sowohl eine mechanische
Zerstörung der meist sehr dünnen Halbleitertabletten als auch ein Ablösen der Kontakte
bei häufig auftretenden Temperaturwechseln vermeiden sollen. Zur Lösung dieses Problems
ist man verschiedene Wege gegangen, je nach dem Verfahren, mit dem man die
pn-Übergänge in dem Halbleiter erzeugL Beim Herstellen des pn-Überganges nach dem
Legierungsverfahren plattiert man meist die Halbleitertablette, unter Zwischenlage
von Metallfolien aus Aluminium, Gold od. dgl., mit Ronden aus einem Metall mit geringer
spezifischer Wärmedehnung, wie Wolfram, Molybdän oder Tantal. Diese Halbleiterbauteile
lassen sich dann nicht allzu schwierig unter Verwendung eines Weich- oder Hartlotes
in ein meist aus Kupfer, Messing oder Eisen bestehendes Gehäuse einbauen bzw. mit
weiteren Leitungsanschlüssen versehen.
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Werden die pn-übergänge in dem Halbleiterkörper durch Eindiffundieren
von Störstellen erzeugt, so haben sich andere Kontaktierungsverfahren als vorteilhaft
erwiesen. So ist es beispielsweise bekannt, Halbleitertabletten aus Siliziumeinkristall,
die nach dem Diffusionsverfahren auf einer Seite mit einer hochdotierten p-Schicht
und auf der anderen Seite mit einer hochdotierten n-Schicht versehen sind, galvanisch
oder elektrodenlos durch Eintauchen in ein Nickelbad mit einer dünnen Nickelschicht
zu überziehen, die nach einem anschließenden Einbrennen gut auf dem Silizium haftet.
Auf diese dünne Nickelschicht wird dann meist noch eine etwas dickere Nickelschicht
galvanisch niedergeschlagen, die ebenfalls eingebrannt wird, Die auf diese Weise
mit Nickelelektroden versehenen Halbleitertabletten können dann mit Hilfe eines
Weichlotes mit weiteren, insbesondere aus Kupfer bestehenden Leitungsanschlüssen
versehen bzw. in ein entsprechendes Metallgehäuse eingebaut werden.
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Das im vorausgehenden angegebene Verfahren bereitet bei der Herstellung
von Halbleiterbauelementen mit kleineren Halbleiterkörpern keine Schwierigkeiten.
Hierbei können beide Nickelschichten galvanisch auf die Halbleitertablette aufgebracht
werden, wobei als Weichlot Bleilote verwendet werden können, die bei genügender
Stärke infolge ihrer Duktilität eine gute überbrückung der unterschiedlichen Wärmedehnung
von z. B. Silizium und Kupfer ergeben.
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Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit größeren Halbleiterkörpern
treten aber dadurch Schwierigkeiten auf, daß das Aufbringen eines gut haftenden
ersten Nickelüberzuges am günstigsten elektrodenlos in einem Phosphorbad vorgenommen
wird, wobei durch den in dem Nickel verbleibenden geringen Phosphorgehalt der Nickelüberzug
sehr empfindlich gegen Sauerstoff wird. Eine auf diese Weise hergestellte Halbleitertablette
läßt sich daher mit einem Bleilot nur sehr schlecht benetzen bzw. löten.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, die Nickelkontakte
z. B. galvanisch mit einer dünnen Goldschicht zu versehen, wobei das Gold das Nickel
auch vor einer Oxydation bei dem Lötprozeß schützen soll '
Nähere Untersuchungen
haben jedoch gezeigt, daß auch mit Hilfe einer solchen Goldzwischenschicht das genannte
Problem nicht gelöst wird. Insbesondere hat sich gezeigt, daß auf diese Weise kontaktierte
Tabletten aus Siliziumeinkristall beim Auftreten häufiger Temperaturwechsel dadurch
ausfallen, daß sich das Bleilot sehr bald von dem Nickel ablöst. Die aufgebrachte
Goldschicht verbessert also die Haftung zwischen dem Nickel und dem Bleilot nicht,
sie wird vielmehr von dem Bleilot schon während des Lötprozesses vollständig aufgelöst,
ohne hierbei die Haftung zwischen dem Nickel und dem Bleilot zu verbessern. Ein
weiterer Nachteil der Verwendung eines Goldüberzuges besteht darin, daß das Bleilot
durch
das aufgenommene Gold stärker zu einer Grobkombildung neigt, so daß es bei häufigem
Temperaturwechsel selbst frühzeitig ermüdet. Die durch die Anwendung eines Goldüberzuges
entstehenden Mängel lassen sich auch bei Verwendung von Flußmitteln nicht beseitigen.
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Bei der Herstellung von legierten Gleichrichtern ist es ferner bekannt,
als Elektrodenmaterial Molybdän, Wolfram und insbesondere Tantal zu verwenden. Um
hierbei das Tantal von den für die Dotierung der Silizium- oder Germaniumtablette
vorgesehenen Loten benetzbar zu machen, hat man vorgeschlagen, das Tantal vorher
mit einer dünnen Schicht aus Gold, Silber, Indium oder Zinn zu versehen. Nach einem
anderen bekannten Verfahren soff das Tantal zuerst mit einer Schicht aus Nickel,
Eisen oder Kobalt versehen werden, auf die dann die Gold-, Silber-, Indium- oder
Zinnschicht aufgebracht wird. Diese dünnen Schichten aus Gold, Silber usw. werden
aber unmittelbar beini Berühren mit dem Lot von diesem gelöst, so daß das Lot unmittelbar
mit der Tantalschicht oder der Schicht des Eisens, Nickels oder Kobalts in Berührung
kommt. Auf diese Weise hergestellte Lötungen mit Bleiloten neigen aber bei thermischer
Wechselbelastung zur Ermüdung und Ablösung.
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Auf der Suche nach einem geeigneten Weichlot sind von dem Erfinder
auch Versuche mit Zinnloten durchgeführt worden, obwohl diese den Nachteil aufweisen,
daß sie wenig duktil sind, sich in der Ätzflüssigkeit für das Silizium lösen und
dadurch die Sperrfähigkeit des Halbleiters verschlechtern. Gegenüber den Bleiloten
haben solche Zinnlote zwar den Vorteil einer besseren Haftung auf dem Nickel, nachteilig
ist aber, daß Zinnlote und ebenso eine eutektische Blei-Zinn-Legierung nur wenig
duktil sind. Diese eignen sich daher nicht so gut wie Bleilote als Puffermetall
zur überbrückung der sehr unterschiedlichen Wärmedehnung des Halbleiters einerseits
und des Kupfers, Messings oder Eisens andererseits.
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Zur Lösung des geschilderten Problems wird ein Verfahren zum Kontaktieren
von Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente, vorzugsweise aus Siliziumeinkristall,
bei dem der Halbleiterkörper über eine aufgebrachte Nickelschicht mittels eines
Bleilotes mit den weiteren Leitungsanschlüssen sperrfrei elektrisch leitend verbunden
wird, vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß vor dem eigentlichen Lötprozeß auf
das Nickel eine Zinnschicht von maximal 20 [t Stärke aufgebracht und bei
einer Temperatur zwischen 250
und 4001 C eingebrannt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß das Zinn eine sehr gute Benetzung mit dem
Nickel ergibt und daß auf die mit einer dünnen Zinnschicht versehene Nickelschicht
auch mit einem Bleilot gut gelötet werden kann. Wesentlich ist hierbei, daß nur
eine sehr dünne Zinnschicht aufgebracht wird, die höchstens 20 [t und vorzugsweise
nur 1 bis 5 [t stark sein soll. Im Vergleich zu der hierbei verwendeten
Folie aus Bleitlot soll die Stärke der Zinnschicht nur etwa 1 bis 21/o ausmachen.
Die bei relativ hoher Temperatur auf das Nickel eingebrannte dünne Zinnschicht aktiviert
offenbar dessen Oberfläche unter Bildung einer mit Zinn angereicherten Phase, so
daß jetzt auch das Bleilot so gut haftet, daß es sich bei späteren häufigen Temperaturwechseln
nicht von dem Nickel ablöst. Andererseits treten durch den geringen Zusatz an Zinn
von etwa 1 bis 2 1/o, die beim Ätzen mit Zinnloten beobachteten Nachteile
praktisch noch nicht auf. Auch tritt durch die Aufnahme des Zinns in dem Bleilot
praktisch keine Grobkombildung und damit ,eine vorzeigite Ermüdung dieses Lotes
ein.
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Das Aufbringen der dünnen Zinnschicht auf die mit einem Nickelüberzug
versehenen Halbleitertabletten und das anschließende Einbrennen bereitet keine Schwierigkeit.
So kann der Zinnüberzug beispielsweise durch Eintauchen der mit dem Nickelüberzug
versehenen Halbleitertablette in flüssiges Zinn erfolgen. Um hierbei ein Ablösen
des Nickels von dem Halbleiter zu vermeiden, wird das Zinnbad zweckmäßig vorher
mit Nickel gesättigt. Die Nickeloberfläche wird vor dem Eintauchen in das Zinnbad
vorher gründlich gereinigt. Eine besonders gute Haftung des Zinns an dem Nickel
wurde bei einem vorausgehenden Ätzen des Nickels mit konzentrierter Essig- oder
Salzsäure erzielt. Das Zinnbad wird zweckmäßig durch ein Flußmittel abgedeckt. Hierfür
hat sich als sehr vorteilhaft Ammoniumfluorid erwiesen.
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Die dünne Zinnschicht kann außer durch das geschilderte Tauchverfahren
auch galvanisch oder durch Aufspritzen auf die Nickelschicht aufgebracht werden.
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Zum Einsparen von Arbeitsgängen kann ferner das Einbrennen der Zinnschicht
zusammen mit dem Einbrennen der vorausgehenden Nickelschicht gleichzeitig erfolgen.
Hierfür hat sich eine Einbrenntemperatur von 350 bis 400' C als günstig
erwiesen.
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Für das anschließende Löten mit einem Weichlot haben sich Blei-Silber-Lote
mit einer eutektischen Zusammensetzung, bestehend aus 97,5 % Blei und
2,5 % Silber, als sehr günstig erwiesen. Weiterhin eignen sich auch Dreistofflegierungen
mit Blei, Silber und Kupfer sehr gut als Weichlot, deren Zusammensetzung im günstigsten
Fall mit 97% Blei, 2,51/o Silber und 0,5 1/o Kupfer angegeben werden kann.
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Die Herstellung eines Gleichrichters mit einer nach dem Diffusionsverfahren
mit einem pn-Übergang versehenen Siliziumhalbleitertablette vollzieht sich nach
der Erfindung etwa in folgender Weise: Die auf einer Seite p-dotierte und auf der
anderen Seite n-dotierte Siliziumtablette wird beispielsweise durch Eintauchen in
ein Nickelbad mit einer dünnen Nickelschicht überzogen, die anschließend bei einer
Temperatur, die bis zu 8001 C betragen kann, eingebrannt wird. Auf diese
Nickelschicht wird anschließend eine zweite dickere Nickelschicht galvanisch aufgebracht.
Sodann wird die Tablette in ein Zinnbad getaucht, das vorher mit Nickel gesättigt
wurde. Wie bereits erwähnt, kann zum gründlichen Reinigen des Nickels die Tablette
vorher in konzentrierte Essigsäure oder Salzsäure eingetaucht werden. Für das Verzinnen
wird zweckmäßig als Flußmittel Ammoniumfluorid benutzt. Die Zinnschicht soll hierbei
vorzugsweise 1 bis 5 li stark sein. Anschließend wird die Nickel-
und Zinnschicht bei einer Temperatur, die in diesem Falle 350 bis 4001
C betragen soll, eingebrannt. Daraufhin wird die Tablette in bekannter Weise
durch einen Schneid- oder Läppprozeß oder durch Ultraschallbohren unterteilt. Diese
Unterteilung kann auch auf elektrolytischem oder chemischem Wege nach Abdecken durch
eine von dem Ätzmittel nicht lösbaren Kunststoffschicht erfolgen. Die so gewonnenen
Gleichrichtertabletten können dann in ein Gehäuseunterteil eingelötet werden, das
beispielsweise aus Kupfer, Messing oder Eisen besteht.
Die eingelöteten
Gleichrichter werden dann einer Ätzbehandlung unterworfen und gekapselt.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt sich nicht
auf das Kontaktieren von Halbleitermaterial mit nur einem pn-übergang, sondem läßt
sich auch auf Transistoren, Vierschichtanordnungen od. dgl. übertragen. Auch lassen
sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Halbleiteranordnungen, die nicht aus Einkristalknaterial
bestehen, mit Leitungsanschlüssen durch Weichlöten verbinden.