DE1280419B - Fliesspress-Verfahren zur Herstellung eines Traegerkoerpers fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Fliesspress-Verfahren zur Herstellung eines Traegerkoerpers fuer Halbleiterbauelemente

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DE1280419B DEN20301A DEN0020301A DE1280419B DE 1280419 B DE1280419 B DE 1280419B DE N20301 A DEN20301 A DE N20301A DE N0020301 A DEN0020301 A DE N0020301A DE 1280419 B DE1280419 B DE 1280419B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4ffl9W> PATENTAMT Int. Cl.:
HOIl
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1280419
Aktenzeichen: P 12 80 419.2-33 (N 20301)
Anmeldetag: 7. Juli 1961
Auslegetag: 17. Oktober 1968
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einen Schaft aufweisenden Trägers für einen Halbleiterkörper, der eine Befestigungsfläche mit einer Oberseite aufweist, auf der ein Metallbauteil aufgebracht ist und einen von seiner Unterseite abstehenden, aus demselben Stück bestehenden Schaft aufweist.
In der Technik haben sich als Träger für Halbleiterbauelemente besonders diejenigen bewährt, die aus einer Befestigungsscheibe und einem einstückig ίο mit dieser ausgebildeten Schaft bestehen, der seinerseits vorzugsweise mit einem Gewinde versehen ist. Diese Bauweise bringt fertigungstechnisch und wärmetechnisch gewisse Vorteile mit sich.
Auf einem anderen Gebiet der Technik wurden bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von Kontaktnieten beschrieben, die an ihrer Kopfseite das besondere Kontaktmaterial aufweisen und einen verhältnismäßig weichen Fuß aus beispielsweise Kupfer haben. Derartige Nieten werden meist durch ein mehrstufiges Fließpreßverfahren hergestellt. Es hat sich dabei gezeigt, daß es auf diese Weise möglich ist, Nieten herzustellen, die einen verhältnismäßig harten Kopf, jedoch einen vergleichsweise weichen Fuß haben, was für Kontaktnieten eine »5 besonders günstige Konfiguration darstellt.
Es ist dagegen bisher kein wirklich zufriedenstellendes Verfahren zur Herstellung der eingangs beschriebenen Halbleiterelementträger bekannt. Es wurde zwar auch bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem auf den Schaft des Trägers nach dem Zusammenbau mit dem Halbleiterbauelement ein Gewinde aufgewalzt wird, doch bleibt auch dabei das eigentliche Problem der Herstellung des im Querschnitt T-förmigen Halbleiterbauelementträgers ungelöst.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung der eingangs beschriebenen Trägerkörper für Halbleiterbauelemente, das sich durch ausgezeichnete mechanische und thermische Eigenschaften der erzeugten Träger, die insbesondere auch eine optimale Homogenität der Materialeigenschaften besitzen, sowie durch besondere Wirtschaftlichkeit auszeichnet und welches sich besonders auch für eine Automation der Fertigung eignet.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs definierten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, daß zunächst ein Metallrohling mit einer Ober- und einer Unterseite hergestellt wird, danach der Metallbauteil auf die Oberfläche aufgeschmolzen wird, so daß er eine Ein-Fließpreß-Verf ahren zur Herstellung eines
Trägerkörpers für Halbleiterbauelemente
Anmelder:
Nippert Electric Products Company,
Columbus, Ohio (V St. A.)
Vertreter:
Dr. phil. G. Henkel
und Dr. rer. nat. W.-D. Henkel, Patentanwälte,
8000 München 90, Eduard-Schmid-Str. 2
Als Erfinder benannt:
Paul William Nippert,
Worthington, Ohio (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Juli 1960 (43 699)
heit mit dem Rohlingskörper bildet und der Rohling entweder vor oder nach dem Aufbringen des Metallbauteils ausgeglüht und schließlich der ausgeglühte Rohling in einem eine Ausdehnung verhindernden Gesenk durch Fließpressen gehärtet und gleichzeitig zu einer Scheibe mit unten abstehendem Schaft geformt wird.
In vorteilhafter Weise kann erfindungsgemäß auf der Oberseite des Rohlings durch weiteres Fließpressen eine Mittelerhebung erzeugt werden.
Besonders günstig ist es auch, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Metallbauteil verwendet wird, dessen Weichglühtemperatur unterhalb derjenigen des Metallrohlings liegt, und daß der fertige Träger auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen beiden Temperaturen liegt.
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren unter Angabe der speziellen Materialien und der Funktion der einzelnen Bauteile noch näher erläutert werden.
Die Halbleiterbauelementträger bestehen in der Regel aus dem im Querschnitt T-förmigen Grundkörper aus Kupfer mit einer darauf meist mit Silber-
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lot angelöteten Molybdänscheibe. Auf dieMolybdänscheibe wird der Halbleiterkörper weich aufgelötet. Die Molybdänscheibe dient hierbei zur Schaffung einer leitenden Zwischenschicht zwischen dem Halbleiter und dem Kupferträgerteil, die praktisch denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiter besitzt, so daß die Lötverbindung zwischen dem Halbleiter und der darunterliegenden Trägerfläche nicht durch die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung während des Betriebs des fertigen Halbleiters zerstört wird.
Weiterhin ist es üblich, einen Schweißring aus nickelplattiertem Stahl oder sonstigem geeigneten Material mit Hilfe von Silberlot an der Oberseite des Kupferträgerteils aufzulöten, der den Halbleiter umgibt und eine Stahloberseite bildet, auf der anschließend ein Abdeckteil durch Widerstandschweißung befestigt werden kann.
Bei der Herstellung der Träger kann insbesondere zunächst vom Grundträgerteil ausgegangen werden, das durch Ausstanzen aus Kupferblech hergestellt wird, wobei zunächst ein scheibenförmiges Werkstück entsteht. Sodann kann die Oberfläche des Kupferwerkstücks mit einer zentralen Vertiefung zur Aufnahme und Anordnung der vorerwähnten Molybdänscheibe und mit einer Ringvertiefung zur Aufnahme und Anordnung des vorgenannten Stahlschweißrings versehen werden. Als nächstes werden die Molybdänscheiben und der Schweißring mit Hilfe von Silberlot auf das Kupferwerksrück aufgelötet, wobei das Werkstück, falls dies vorher noch nicht geschehen war, unter der Wirkung der Lötwärme ausgeglüht wird. Ersichtlicherweise besitzt in diesem Stadium des Verfahrens das ausgeglühte Kupferwerkstück gegenüber gehärtetem Kupfer nur eine geringe Festigkeit.
Die aus dem Werkstück der Molybdänscheibe, an der der Halbleiter später befestigt wird, und dem Stahlschweißring, au dem der Abdeckabschnitt später befestigt wird, bestehende Anordnung wird nunmehr in einem keine Ausdehnung zulassenden Gesenk unter Druck gesetzt, wobei das Metall des Kupferwerkstücks ins Fließen gerät und einen von der Befestigungsfläche nach unten abstehenden Schaft ausbildet. Hierdurch nimmt das vorher ausgeglühte Kupfer die Form des Hauptträgerteils an und wird auf die volle Härte von. Hartkupfer gehärtet, wodurch seiixe Festigkeit stark zunimmt
Falls der Hauptkupferträgerteil durch Anlegen von Druck an das Werkstück in dem keine Ausdehnung zulassenden Gesenk verformt wird, kann das Metall gewünschtenfalls auch so verformt werden, daß es einen aus demselben Stück bestehenden aufwärtsgerichtetenf das Transistorelement innerhalb des Stahlschweißrings umgebenden Ringflansch bildet, welcher einen Spritzring darstellt, der den Halbleiter in vorteilhafter Weise vor Schweißmaterial-Schmelzspritzern schützt, wenn anschließend zwecks Abdeckung des Halbleiters ein napfförmiger Abdeckabschnitt auf den vorerwähnten Schweißring aufgeschweißt wird.
Durch das Aufschweißen von Molybdänscheibe und Stahlschweißring vor dem Fließpressen wird erreicht, daß der Kupfergrundkörper nach dem Fließpressen in vorteilhafter Weise durchgehend gehärtet ist. Neben dem abwärts gerichteten. Schaft kann vorteilhafterweise beim Fließpressen auch eine aufwärts gerichtete Befestigungsfläche für den Halbleiter ausgebildet werden. Es kann auch der Kupferrohling zunächst mit einem Ringflansch versehen werden, auf den eine Ringscheibe aus Lötmaterial aufgebracht wird, wobei der Flansch als Lager dient. Darauf wird die Molybdänscheibe und diese umgebend der Schweißring aufgebracht und die Anordnung thermisch verschmolzen. Dann wird der Träger durch Fließpressen geformt. Der gehärtete Schaft besitzt außerordentliche Festigkeit und der Träger kann störunanfällig in eine Wärmesenke eingeschraubt werden, wodurch ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen der Wärmesenke und dem Halbleiter hergestellt wird, so daß der Halbleiter in vorteilhafter Weise stärker als bisher bei entsprechenden Anordnungen möglich belastet werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend auch noch in mehreren Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig.l eine Seitenansicht eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Trägers im Schnitt längs der Linie 1-1 in F i g, 3,
F i g. 7, eine Seitenansicht eines aus dem in F i g. 1 dargestellten Werkstück hergestellten Transistorträgers im Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 4,
Fig. 3 eine Aufsicht auf das in Fig. 1 dargestellte Werkstück,
F i g. 4 eine Aufsicht auf den irx F i g. 2 dargestellten Transistorträger,
Fig. 5 bis 10 Schnitte und Teilschnitte durch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Werkstücke und Transistorträger und
F i g. 11 eine Seitenansicht einer Gesenkvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt längs einer lotrechten Ebene durch die Mittellinie der Vorrichtung.
Obwohl die Zeichnungen und die Beschreibung Transistorträger darstellen und beschreiben, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Halbleiter, beispielsweise Gleichrichter und Dioden,, hergestellt werden,, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte, allgemein mit 20 bezeichnete Metallrohling besteht aus Kupfer oder sonstigem geeignetem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit. Der Rohling 20 kann beispielsweise aus Kupferblech ausgestanzt sein. Die Oberseite 25 dieses. Werkstücks 20 ist mit einer zentralen Vertiefung 23 und einer Ringvertiefung 24 versehen,, die durch Anlegen von Druck an die Oberfläche 25 mit Hilfe eines Prägestempels ausgebildet worden sind. Die Unterseite des Werkstücks 20 ist mit 21 bezeichnet. Vorzugsweise sollen, die Mittelvertiefung 23 und die Umfangsvertiefung 24 gleichzeitig mit demselben Stempel geprägt werden, mit dessen Hilfe das Werkstück aus dem Kupferblech ausgestanzt wird.
Auf den Boden der Mittelvertiefung 23 wird zunächst eine Scheibe 22 aus Silberlotmetall aufgebracht, die von einer Moblybdänscheibe 26 bedeckt wird, deren Außenkanten die Seiten der Vertiefung 23 berühren.
Weiterhin wird in die ringförmige Vertiefung 24 eine Ringscheibe 28 aus Silberlotmetall eingesetzt, die von einem vorzugsweise aus Stahl bestehenden Schweißring 29 bedeckt wird, dessen Seitenkanten den Seitenkanten der Ringvertiefung 24 gegenüberstehen.
Als nächstes wird die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung erhitzt, wobei die Silberlotscheiben 22 und 28 schmelzen und dadurch die Molybdänscheibe 26 und den Schweißring 29 am Werkstück 20 befestigen.
Nach dem Silberlöten wird das in den F i g. 1 und 2 zusammengesetzte Werkstück in ein geeignetes Gesenk, beispielsweise die in Fig. 11 dargestellte Vorrichtung, eingebracht und unter Druck gesetzt, wodurch das Metall des Werkstücks 20 ins Fließen gerät und die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Form annimmt.
Das eine Ausdehnung verhindernde Gesenk ist so geformt, daß das Metall des unteren Abschnitts des Werkstücks abwärts in die Form eines Schaftteils 32 und das Metall des oberen Abschnitts des Werkstücks aufwärts in die Form eines Ringflanschs 33 gepreßt wird.
Die in Fig.4 dargestellten geraden Flächen27 gestatten das Erfassen des Trägers mit einem ao Schraubenschlüssel und können entweder während des Preßvorgangs oder im Rahmen einer anschließenden Bearbeitung des Trägers ausgebildet werden, nachdem dieser in Kreisform gepreßt worden ist.
Die in Fig. 11 dargestellte typische Gesenk-Vorrichtung weist eine stationäre Basis 35, mit der sie am Bett einer hydraulischen Presse befestigt werden kann, und einen beweglichen Teil 36 zur Befestigung der Presse auf.
Die Basis 35 weist einen Block 38 auf, der eine untere Druckanlagefläche und eine Aufnahmevertiefung für den ausgepreßten Schaft 32 bildet. Die oberen Druckflächen werden durch ein ringförmiges Matrizenelement 43 und ein stabförmiges Matrizenelement 44 gebildet und weisen ringförmige Vertiefungen für die Anordnung der Scheibe 26 und des Schweißrings 29 sowie zur Aufnahme eines aufwärtsgerichteten Metallflusses auf, der beim Anlegen von Druck auf den Ringflansch 33 ausbildet.
Nach der Herstellung des Trägers in dem eine Ausdehnung verhindernden Gesenk wird der in den F i g. 2 und 4 dargestellte Schaft 32 mit einem Gewinde 57 versehen.
In den F i g. 5 und 6 sind abgewandelte Ausführungsformen eines Werkstücks und Halbleiterträgers dargestellt. Der Rohling 100 ist aus Kupferblech-Halbzeug hergestellt und weist einen erhöhten Mittelteil 102, eine Mittelfläche 108 und eine Ringfläche 110 auf. Durch den angehobenen Mittelabschnitt 102 werden auf dem Rohling eine Scheibe 104 aus Silberlotmaterial und ein Stahlschweißring 106 richtig gelagert. Danach wird die Anordnung auf eine über dem Schmelzpunkt des Silberlots 104, d. h. auf eine zwischen 638 und 871° C liegende Temperatur erhitzt.
Als nächstes wird der in F i g. 5 dargestellte zusammengesetzte Rohling in einem geeigneten, eine Ausdehnung begrenzenden Gesenk, beispielsweise in der in F i g. 11 dargestellten Vorrichtung unter Druck gesetzt, wobei einerseits Metall unter Ausbildung eines Mittelabschnitts 102 aufwärts gegenüber dem Schweißring 106 und andererseits Metall unter Ausbildung eines Schaftes 114 einwärts und abwärts vom Befestigungsflächenteil 112 fließt.
Bei den in den F i g. 7 und 8 dargestellten weiterhin abgewandelten Ausführungsformen weist das scheibenförmige Werkstück 130 eine Mittelvertiefung 132 zur Anordnung einer dünnen Scheibe Silberlotmaterial 142, einer Molybdänscheibe 138 und eines Schweißrings 140 auf. Nach dem Verschmelzen dieser Teile wird die Anordnung auf die vorstehend beschriebene Weise in die in F i g. 8 dargestellte Form gebracht.
In F i g. 8 zeigen die Pfeile 144 allgemein den Weg des einen erhöhten Mittelteil 136 bildenden Metallflusses und die Pfeile 146 allgemein den Weg des anderen, den Schaft 134 ausbildenden Metallflusses an. Diese beiden Flüsse härten das Metall an der Vereinigungsstelle von Schaft 134 und Befestigungsfläche 132 einerseits und an der Vereinigungsstelle des erhöhten Mittelteils 136 und der Befestigungsfläche 132 andererseits.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens radial einwärtsgerichtete Metallflüsse in der Befestigungsfläche, beispielsweise dem in Fig. 8 mit 132 bezeichneten Teil, ausgebildet werden. Hierdurch wird die Festigkeit des Trägers erheblich vergrößert, insoweit als es die Widerstandsfähigkeit gegen auf die Befestigungsfläche quer durch die radial einwärtsgerichteten Metallströme ausgebildeten Gefügestruktur betrifft. Dies stellt ein wesentliches Merkmal dar, da die Unterseiten der Befestigungsflächen und die Oberseiten der Wärmesenken niemals vollkommen eben sind, was zur Folge hat, daß die Befestigungsflächen bei ihrem Anziehen in die in den Wärmesenken vorgesehenen Löcher einer Beanspruchung unterworfen werden.
Eine weitere wesentliche Verbesserung beruht auf der Härtung der Schaftteile, wodurch die anschließend auf diesen ausgebildeten Gewinde eine große Festigkeit erhalten und beim Anziehen der Träger in den in der Wärmesenke vorgesehenen Befestigungslöchern nicht leicht »abgedreht« werden können. Versuche haben gezeigt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Träger einem Drehmoment von mehr als 208 kg-cm unterworfen werden können, ehe die Gewinde von den Schaftteilen abgedreht werden, während Träger derselben Größe, die nach den bisher bekannten Verfahren hergestellt worden waren, durch Abdrehen der Gewinde vom Schaft bereits bei Drehmomenten bis herab zu 34,6 kg·cm zerstört wurden.
Die in den F i g. 9 und 10 dargestellte Abwandlung wird in derselben Weise wie die in den F i g. 7 und 8 dargestellte Ausführungsform erhalten, nur mit dem Unterschied, daß zur Abdeckung der gesamten Oberseite des Trägers 150 einschließlich der Seiten des erhöhten Mittelteils der Befestigungsfläche 156 eine aus einem einzigen Stück bestehende Stahlscheibe 152 verwendet wird.
Als weitere Abwandlung der Erfindung können die verschiedenen in den Figuren dargestellten Halbleiterträger so ausgebildet werden, daß eine gehärtete Befestigungsfläche einschließlich Schaft mit einem ausgeglühten oder erweichten Kupferschweißring an Stelle des vorgenannten Stahlschweißrings vereinigt wird.
Bei Verwendung der vorerwähnten Kupfer-Zirkon-Legierung für die Plattform und bei Verwendung von praktisch reinem Kupfer für den Schweißring wird die Anordnung zwei Stunden lang auf 400° C erhitzt.
Nach dem Ausglühen des Kupferschweißrings wird eine napfförmige Abdeckung durch Kalt- oder Druckschweißung auf der Anordnung befestigt.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines einen Schaft aufweisenden Trägers für einen Halbleiterkörper, der eine Befestigungsfläche mit einer Oberseite aufweist, auf der ein Metallbauteil aufgebracht ist und einen von seiner Unterseite abstehenden, aus demselben Stück bestehenden Schaft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Metallrohling mit einer Ober- und einer Unterseite hergestellt wird, danach der Metallbauteil auf die Oberfläche aufgeschmolzen wird, so daß er eine Einheit mit dem Rohlingskörper bildet und der Rohling entweder vor oder nach dem Aufbringen des Metallbauteils ausgeglüht und schließlich der ausgeglühte Rohling in einem eine Ausdehnung verhindernden Gesenk durch Fließpressen gehärtet und gleichzeitig zu einer Scheibe mit unten abstehendem Schaft geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß aus der Oberseite des Metallrohlings durch weiteres Fließpressen eine Mittelerhebung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallbauteil verwendet wird, dessen Weichglühtemperatur unterhalb derjenigen des Metallrohlings liegt, und daß der fertige Träger auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen beiden Temperaturen liegt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 682 313, 1137 806; deutsche Auslegeschrift Nr. 1079 205;
schweizerische Patentschrift Nr. 170 577;
französische Patentschrift Nr. 1258 800;
USA.-Patentschriften Nr. 2922092, 2887628,
371;
Bücher, Leineweber: »Gewinde«, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1951, S. 121 bis 123; »Werkstoffe für elektrische Kontakte«, Berlin/Göttingen/Heidelberg, I960., &Te 27-J ~ lp~<
Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 627/1141 10.68 © Bundesdruckerei Berlin
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