DE1254774B - Verfahren zum Herstellen eines loetfreien Kontaktes an einem Halbleiter-Bauelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1 254 774

Aktenzeichen: St 21712 VIII c/21 g

Anmeldetag: 18. Februar 1964

Auslegetag: 23. November 1967

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines lötfreien Kontaktes zwischen Halbleiterkristall und Metallkörper, bei dem die Berührungsflächen infolge der zwischen ihnen wirkenden Molekularkräfte fest aneinander haften.

Bei Halbleiter-Bauelementen;, die größere Leistungen verarbeiten sollen, ist es erforderlich, für eine möglichst wirkungsvolle Abfuhr der im Halbleiterkristall entstehenden Verlustwärme zu sorgen. ; Aus diesem Grund ist man bestrebt, den Halbleiterkristall in möglichst innigen, gut wärmeleitenden Kontakt mit einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit zu bringen, das seinerseits mit einer Kühlvorrichtung in Verbindung steht bzw. gebracht wird. Darüber hinaus soll der Kontakt selbstverständlich auch gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit besitzen.

■ Bei Halbleiter-Bauelementen für mittlere Leistungen hat sich zu diesem Zweck die Verbindung durch •Weichlöten gut bewährt. Bei größeren geometrischen Abmessungen des Halbleiterkristalls treten jedoch infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Halbleiter und gut leitendem Metall Schubkräfte auf, die bei thermischer Wechselbeanspruchung im Laufe der Zeit die Lötverbindung zerstören. ·■

Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, zwischen dem Halbleiterkristall und dem gut wärmeleitenden Metall (vorzugsweise Kupfer) eine Scheibe aus einem Metall anzubringen, das etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial hat. Dadurch werden die Schubspannungen von der besonders kritischen Lötung zwischen Metall und Halbleiterkristall in gewissem Umfang ferngehalten; sie treten jedoch noch an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Metallen auf und können dort ebenfalls im Laufe der Zeit zur Zerstörung der Lötschicht führen. Außerdem haben Weichlötungen grundsätzlich den Nachteil, daß sie die zulässige Betriebstemperatur nach oben auf einen relativ niedrigen Wert begrenzen.

Ferner sind Verfahren bekanntgeworden, bei denen die Halbleiterkristalle mit einem Metall von etwa gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Hartlötung verbunden werden. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß wegen der hohen Löttemperatur die Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Teile in einem sehr großen Temperaturbereich einander gleich sein müssen, was sich oft schwer verwirklichen läßt. Außerdem wird bei den hohen Löttemperaturen das Halbleitermaterial vom Lot anlegiert, was unter Umständen die elek-Verfahren zum Herstellen eines lötfreien
Kontaktes an einem Halbleiter-Bauelement

Anmelder:

Deutsche ITT Industries

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Hans Peter Hempel, Nürnberg

irischen Eigenschaften des Halbleiters in unerwünschter Weise verändert.

Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift

■ · 1331098, entsprechend dem älteren Vorschlag der deutschen Auslegeschrift 1170 558, ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem die kritische Lötung zwischen dem gut wärmeleitenden Metall und dem Metall mit zum Halbleitermaterial passendem Wärme-

. ,. ausdehnungskoeffizienten dadurch vermieden wird, daß man diesen Kontakt als Druckkontakt ausbildet. Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Verbindung ist jedoch schlechter als die einer Lötung, und die geschilderten Nachteile der Lötverbindung zwischen Halbleiterkristall und Metall von gleichem Ausdehnungskoeffizienten sind auch hier vorhanden. Darüber hinaus ist die Druckbeanspruchung des Halbleiterkristalls als ein weiterer Nachteil dieser Anordnung anzusehen.

Es wurde auch schon ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Siliziumgleichrichterelement ohne Anwendung eines Lotes durch eine in das Gehäuse eingelegte Federscheibe mit einem bestimmten, relativ hohen Druck gegen den Boden des Gehäuses gepreßt wird. Dieser Druck wird dadurch eingestellt, daß das Gehäuse aus zwei Teilen besteht, die miteinander verschraubt sind, und daß diese Verschraubung bis zu einem bestimmten Druckwert angezogen wird. Auch hier ergibt sich der Nachteil, .daß der Siliziumkristall mechanisch erheblich beansprucht wird, was bereits bei der Fertigung des Bauteiles in vielen Fällen zur Zerstörung führen kann.

Ferner ist aus der deutschen Auslegeschrift 1067 529 ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem zum Herstellen eines lötfreien Kontaktes zwischen einer metallischen Anschlußelektrode und einer Perle aus Indium oder einem ähnlichen weichen Metall die Perle zwecks Reinigung der Oberfläche mit der An-

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schlußelektrode gleitend in Berührung gebracht wird. Dabei tritt eine Bindung, Verklebung oder Verkittung der Oberflächen auf, die senkrecht zur Kontaktfläche nur eine geringe und unzulängliche Zugfestigkeit besitzt.

Ziel der Erfindung ist es nun, die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile der bekannten Kontaktierungsverfahren zwischen Halbleiterkristall und Metallkörper zu vermeiden.

Das eingangs geschilderte Verfahren löst diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Berührungsflächen des Kontakts in an sich bekannter Weise optisch planpoliert werden und daß schließlich eine Edelmetallschicht aufgebracht wird und die Kontaktflächen miteinander in Berührung gebracht werden.

Als besonders geeignet hat sich eine im Hochvakuum aufgedampfte Goldschicht von weniger als 1 μπα Dicke erwiesen. Zweckmäßig bringt man nach dem Planpolieren der Berührungsflächen beide zu kontaktierenden Körper in eine Vakuumanlage, dampft Gold oder ein anderes Edelmetall auf eine oder auch beide Kontaktflächen auf und legt diese dann im gleichen Gefäß noch unter Vakuum aufeinander. Zwischen den so vorbehandelten Oberflächen besteht nach Aufeinanderbringen, obwohl weder ein besonderer Druck noch eine Wärmebehandlung angewendet wurde, eine sehr feste Verbindung, die infolge der Molekularkräfte so beträchtliche Zugfestigkeit aufweist, daß sie senkrecht zur Berührungsfläche nicht lösbar ist. Dagegen sind die beiden aneinandergrenzenden Körper seitlich relativ leicht verschiebbar, so daß sie sich beim Erwärmen unabhängig voneinander ausdehnen können, ohne daß dabei gefährliche Schubkräfte auftreten. Eine solche Verbindung hat ferner einen sehr geringen elektrischen und Wärmewiderstand.

Die in der beschriebenen Weise hergestellte Verbindung zwischen Halbleiterkristall und Metallkörper läßt sich noch wesentlich dadurch verbessern, daß die an den Kontaktflächen adsorbierten Gase entfernt werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies im Hochvakuum durch Erhitzen oder Elektronenbombardement, und zwar vorzugsweise bei einem Druck von 10~⁷ Torr. Es ist vorteilhaft, diese Aufdampf- und Entgasungsprozesse nacheinander in der gleichen Vakuumapparatur durchzuführen, wobei ihre Anzahl und Reihenfolge entsprechend den speziellen Erfordernissen abgewandelt werden können. So ist es beispielsweise möglich, die später aneinandergrenzenden Oberflächen der zu kontaktierenden Körper bereits vor dem Aufdampfen des Edelmetallüberzuges zu entgasen und die metallisierten Flächenteile gleich anschließend zusammenzubringen. Diese Verfahrensweise ist dann ausreichend, wenn das Vakuum so gut ist, daß die frisch hergestellten Edelmetalloberflächen noch nicht mit Gasschichten bedeckt sind. Ist dies nicht der Fall, dann entgast man die metallisierten Kontaktflächen vor ihrer Kontaktierung.

Es liegt jedoch auch im Sinn der Erfindung, den Entgasungsprozeß nur einmal vorzunehmen, d. h. zunächst die Edelmetallschicht aufzudampfen und dann die adsorbierten Gase zu entfernen, wenn dies vor dem Aufdampfverfahren nicht erforderlich erscheint.

Stellt man die Verbindung zwischen Halbleiterkristall und Metallkörper im Hochvakuum in der oben beschriebenen Weise her, so entsteht ein sehr inniger Kontakt, so daß die seitliche Verschiebbarkeit unter Umständen nicht mehr ausreichend ist, um den beiden Bestandteilen ungehinderte Wärmeausdehnung zu gestatten.

Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß dadurch behoben, daß zwischen den zu kontaktierenden Körpern aus Metall und Halbleitermaterial eine Metallscheibe eingefügt wird, die annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der

ίο Halbleiterkörper haben soll, damit das Entstehen thermischer Spannungen vermieden wird. Es ist dabei vorteilhaft, zunächst diese Zwischenscheibe mit dem später mit dem Halbleiterkörper zu kontaktierenden gut wärmeleitenden Metallkörper, etwa durch Hartlöten, zu verbinden. An diese Maßnahme schließt sich dann das oben beschriebene Verfahren zum lötfreien Kontaktieren eines Halbleiterkristalls mit einem Metallkörper an.

Das Verfahren der Erfindung bietet somit den

ao Vorteil, daß einerseits gefährliche Schubkräfte vermieden werden und daß andererseits die mechanische Zugfestigkeit des Kontaktes den üblichen, bei Halbleiter-Bauelementen an sie zu stellenden Anforderungen entspricht. Damit kann auf einen für manche Fälle unerwünschten oder unzweckmäßigen Druckkontakt verzichtet werden, was eine erheblich einfachere Gehäuseausbildung vor allem bei Leistungs-Halbleiter-Bauelementen erlaubt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines lötfreien Kontakts zwischen Halbleiterkristall und Metallkörper, bei dem die Berührungsflächen infolge der zwischen ihnen wirkenden Molekularkräfte fest aneinanderhaften, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen des Kontakts in an sich bekannter Weise optisch planpoliert werden und daß schließlich eine Edelmetallschicht aufgebracht wird und die Kontaktflächen miteinander in Berührung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Goldschicht von weniger als 1 μΐη Dicke aufgebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkristall und Metallkörper nach dem Aufbringen der Edelmetallschicht im Vakuum miteinander in Kontakt gebracht werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberfläche adsorbierten Gase im Hochvakuum, insbesondere bei einem Druck von weniger als 10~⁷ Torr, durch Erhitzen oder Elektronenbombardement vor dem Aufeinanderbringen der zu verbindenden Teile entfernt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Entgasen vor und/oder nach dem Aufbringen der Edelmetallschicht erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkristall und Metallkörper im gleichen Vakuumgefäß mit der Edelmetallschicht überzogen, entgast und miteinander in Kontakt gebracht werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Metallkörper und dem Halbleiterkristall eine Metall-

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scheibe angeordnet wird, die etwa den gleichen scheibe mit dem die Verlustwärme abführenden

Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Halb- Körper durch Hartlöten verbunden wird.

leiterkörper besitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge- In Betracht gezogene Druckschriften:

kennzeichnet, daß die zwischengeordnete Metall- 5 Deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 529.

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