DE1207011B

DE1207011B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-bauelementen

Info

Publication number: DE1207011B
Application number: DES67042A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Udo Lob
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-02-11
Filing date: 1960-02-11
Publication date: 1965-12-16
Also published as: DE1207011C2

Description

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung des Verfahrens zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei welchen ein Träger des Halbleiterelementes zur mechanischen Verbindung des Bauelementes mit einem weiteren Träger bzw. einem Kühlkörper durch eine Verschraubung oder eine Einspannung vorgesehen ist.
Das Halbleiterbauelement kann dabei z. B. eine Diode, eine Triode bzw. ein Transistor oder auch ein Halbleiterstromtor sein, wobei das einzelne Halbleiterelement auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium oder eines ähnlichen Halbleiterwerkstoffes hergestellt sein kann.
Das Halbleiterelement ist an dem Halbleiterbauelement gewöhnlich in ein besonderes Gehäuse bzw. eine Fassung eingeschlossen, die zur Bildung einer Wärmeleitbrücke zu einem weiteren Kühlkörper oder Träger dient und eventuell auch gleichzeitig als elektrischer Anschluß des Halbleiterbauelementes benutzt wird: Für einen guten Wärmeübergang oder/und elektrischen Stromübergang von geringem Widerstandswert ist es notwendig, daß der Träger des Halbleiterelementes durch die mechanische Spannvorrichtung bzw. die Schraubverbindung an den ihm im Aufbau als Träger nachfolgenden Körper bzw. Kühlkörper mit einem ausreichenden Druck festgespannt bzw. angepreßt wird. Daraus ergibt sich aber, daß die mechanische Verbindung der Fassung mit dem weiteren Träger bei der Herstellung der Verbindung eine starke mechanische Beanspruchung der metallischen Fassung mit sich bringen kann. Selbst wenn nun die metallische Fassung zunächst aus einem Körper hergestellt ist, dessen Werkstoff und Formgebung an sich solche Festigkeitseigenschaften gewährleisten sollten, wie sie an dem Körper für seine mechanische Beanspruchung vorausgesetzt werden müssen, kann es sich, wie die Erfahrung gelehrt hat, während des Fertigungsprozesses der Anordnung ergeben, daß jene Festigkeitseigenschaften an der metallischen Fassung durch eine an der Halbleiteranordnung vorzunehmende Wärmebehandlung verlorengehen können. So hat sich z. B. gezeigt, wenn ein solcher metallischer Gehäuseteil. bzw. Träger des Halbleiterelementes aus einem Kupferkörper hergestellt war und einen ausladenden Gewindebolzen aufwies, daß bei der Herstellung der Verschraubung eine unerwünschte Dehnung an dem Schraubenbolzen entstand, weil an dem Kupferkörper, trotzdem er ursprünglich aus einem Werkstoff mit den für die Schraubverbindung erwünschten Festigkeitseigenschalten hergestellt war, durch den Wärmebehandlungsprozeß, der für die Verlötung der in ein Gehäuse einzuschließenden Halbleiteranordnung am Boden dieses genannten Gehäuseteiles vorgenommen wurde, eine solche nachteilige Beeinflussung des Gefüges des Werkstoffes stattgefunden hatte, daß die am Werkstoff angenommenen Festigkeitseigenschaften nach der Fertigstellung der Halbleiteranordnung nicht mehr vorhanden waren.
Solche Mangelerscheinungen können jedoch bei einem Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen der eingangs angeführten Art dadurch überwunden werden, daß erfindungsgemäß der Träger des Halbleiterelementes aus einer thermisch aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt und vor oder nach seiner Verlötung mit dem Halbleiterelement in seinen ausgehärteten Zustand übergeführt wird.
Als eine solche thermisch aushärtbare Kupferlegierung eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren z. B. solche auf der Kupfer-Chrom-Basis.
Solche Legierungen haben die Eigenschaft, daß sie selbst, nachdem sie über eine gewisse Zeitdauer einer erhöhten Temperatur ausgesetzt und anschließend einer z. B. normalen Abkühlung in Luft unterworfen worden waren, an ihren Festigkeitseigenschaften nichts verloren hatten, und selbst wenn sie über eine gewisse obere Temperaturgrenze hinaus erhitzt wurden, ihre Festigkeitseigenschaften, beurteilt nach der Brinellhärte, nur relativ wenig in diesem Wert absinken. Das bedeutet aber, daß bei Verwendung eines solchen Werkstoffes für den Träger des Halbleiterelements nunmehr unbedenklich irgendwelche Wärmebehandlungsprozesse an dem Aufbau einer solchen Anordnung vorgenommen werden können. Insbesondere kann also z. B. ganz unbedenklich irgendein Lötprozeß durchgeführt werden, ohne befürchten zu müssen, daß auf diese Weise die vorher durch die Auswahl des Werkstoffes für den Träger des Halbleiterelements in Rechnung er stelltenFestigkeitseigenschaften nicht gewährleistet bleiben. Damit kann dann aber unbedenklich in vorbestimmten Grenzen eine mechanische Anpressung des Trägers des Halbleiterelements bzw. des diese einschließenden Gehäuseteiles an einem weiteren Träger, einem Gerüst oder/und einem Kühlkörper vorgenommen werden, auch wenn der erstgenannte Träger integrierender Bestandteil der mechanischen Verbindung, z. B. der Schraubverbindung ist, ohne das Eintreten der nachteiligen Erscheinung befürchten zu müssen, daß gegebenenfalls in der Anordnung bei der für die Erzielung des erwünschten Anpreßdruckes notwendigen mechanischen Beanspruchung an dem Werkstoff des Gehäuseteiles die Fließgrenze unerwartet erreicht oder noch überschritten wird. Im Interesse der Eindeutigkeit des Anpreßdruckes wird gewöhnlich die Befestigung solcher Halbleiterbauelemente an einem weiteren Träger unter Benutzung eines Drehmomentenschlüssels ausgeführt, so daß also immer ein eindeutiges Maß für die bei der Anpressung aufgewendete Kraft vorliegt. Die Anwendung der aushärtbaren Kupferlegierung für den Träger gewährleistet dann, daß die betriebsmäßig bei der Anpressung erwarteten Werte an der gegenseitigen Berührungsstelle der vom Träger des Halbleiterelements und dem weiteren Träger mit Sicherheit erreicht werden können und auch betriebsmäßig gewährleistet bleiben. Damit kann dann im Betrieb insbesondere stets mit einer eindeutigen wirksamen Abfuhr der an dem Halbleiterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme gerechnet werden, und eine Gefährdung des Halbleiterelements durch Übertemperaturen kann nicht eintreten.
Solche aushärtbaren Kupfer-Chrom-Legierungs-Werkstoffe haben außerdem die Eigenart, daß sie durch eine bestimmte Temperaturbehandlung erst in den ausgehärteten Zustand übergeführt werden, z. B. durch ein mehrstündiges, etwa dreistündiges Erhitzen auf etwa 450° C.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann bei der erfindungsgemäßen Anwendung des aushärtbaren Kupfers für einen Träger eines Halbleiterelements erstens in der Weise vorgegangen werden, daß der Träger aus dem aushärtbaren Kupferwerkstoff zu einem Zeitpunkt hergestellt wird, wo der Werkstoff noch nicht ausgehärtet ist. Das ergibt den Vorzug, daß der Werkstoff sich relativ leicht ver-bzw. bearbeiten läßt. So läßt sich insbesondere eine erforderliche Verspanung schnell und mit einfachen Werkzeugen durchführen und ein solcher Teil relativ billig entweder im Verlaufe eines Drehprozesses oder/und eines Drück- oder Schlagprozesses herstellen. Auch die Erzeugung eines Schraubengewindes an diesem Träger läßt sieh auf diese Weise verhältnismäßig einfach und schnell durchführen. Nachdem dieser Träger dann in seinen formenmäßigen Endzustand übergeführt worden ist, kann die Aushärtung des Teiles vorgenommen werden. Diese Aushärtung kann gegebenenfalls auch erst dann stattfinden, nachdem die mechanische Verbindung zwischen dem eigentlichen Halbleitersystem gegebenenfalls über eine besondere mechanisch stabilisierende Trägerplatte aus einem Werkstoff mit einem demjenigen des Werkstoffes des Halbleiterkörpers nahe benachbarten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. beim Vorliegen eines Halbleitersystems auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium aus Molybdän, Wolfram oder Tantal und dem Träger aus aushärtbarem Kupfer im Verlaufe eines Weichlöt- oder Hartlötprozesses vorgenommen worden ist. Bei dieser nachträglichen Aushärtung muß jedoch im allgemeinen in Betrag gezogen werden, daß gewöhnlich nur eine einmalige Temperaturbeanspruchung dieses Werkstoffes für seine Aushärtung möglich ist, da im anderen Falle erst wieder ein besonderer Glühprozeß, z. B. bei etwa 1000° C, mit anschließender Abschreckung vorgenommen werden muß, um das Material für einen weiteren Aushärtungsprozeß geeignet zu machen.
Es kann jedoch für die Verwirklichung der Erfindung auch in der Weise vorgegangen werden, daß von einem Halbfabrikat in Form eines ausgehärteten Kupferkörperrohlings ausgegangen wird, der entsprechend für die Formgebung als Träger bearbeitet wird. Er stellt mit der Fertigstellung seiner Formgebung unmittelbar den Körper dar, der unbedenklich den weiteren thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, wie sie sich beispielsweise bei einem Lötprozeß an einer solchen Halbleiteranordnung bis zu einer Temperatur von etwa 400° C ergeben können. Bei Lötungen, deren Vorgang nur eine kurze Zeitdauer von etwa einigen Minuten beansprucht, kann jedoch der genannte Temperaturwert auch noch z. B. um einige hundert Grade überschritten werden. Es ist auf diese Weise bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens auch möglich, den Kupferkörper bereits im Verlaufe des Legierungsprozesses für die Dotierung des Halbleiterkörpers zur Erzeugung seiner Zonen abweichenden Dotierungsgrades oder abweichenden elektrischen Leitungstyps zeit dem Halbleitersystemaufbau zu einer Baueinheit zu verlöten bzw. zu legieren, ohne daß Schäden oder Mängel in den Festigkeitseigenschaften des Kupferkörpers eintreten.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles wird auf die Zeichnung Bezug genommen.
In dieser bezeichnet 1 einen Träger, welcher das eigentliche Halbleiterelement, z. B. eine durch Legierung hergestellte Siliziumdiode, trägt, die mit 2 bezeichnet ist. Dieser Träger 1, der für die Vornahme der Schraubverbindung mit einem ausladenden Schraubenbolzen 3 versehen ist, wurde aus aushärtbarem Kupfer hergestellt.
Die Siliziumdiode 2 besteht .von unten nach oben z. B. aus einem Wolframkörper 2 c, einer Aluminiumelektrode 2 b, dem Siliziumhalbleiterkörper 2 c, einer Goldantimonschicht 2 d und einem Wolfram körper 2 e. Dieses System ist über die Hartlotschicht 4 mit dem Kupferkörper l und über die Hartlotschicht 5 mit der Kupferanschlußelektrode 6 verbunden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bei welchen ein Träger des Halbleiterelementes zur mechanischen Verbindung des Bauelementes mit einem weiteren Träger bzw. einem Kühlkörper durch eine Verschraubung oder eine Einspannung vorgesehen ist, d a -durch gekennzeichnet, daß der Träger des Halbleiterelementes aus einer thermisch aushärtbaren Kupferlegierung hergestellt und vor oder nach seiner Verlötung mit dem Halbleiterelement in seinen ausgehärteten Zustand übergeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Halbleiterelements aus einer Kupfer-Chrom-Legierung hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Halbleiterelements in seiner endgültigen Form fertiggestellt wird, solange sich die Kupferlegierung noch nicht in dem ausgehärteten Zustand befindet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Halbleiterelements in seiner endgültigen Form fertiggestellt wird, nachdem die Kupferlegierung in den ausgehärteten Zustand übergeführt worden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1045551; A. Schulenburg, »Gießerei-Lexikon«, Berlin, 1958, S.110; Wellinger-Gimmel, »Werkstofftabellen der Metalle«, 5. Auflage, Stuttgart, 1955, S. 186; Knoll, »Materials and Processes of Electron Devices«, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1959, S. V »Preface« und S. 144 bis 145; »Electronics«, Bd.28 (1955), April-Heft, S.146 bis 149. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1137 806.