DE1514288C3 - Verfahren zum Befestigen eines Halbleiterkörpers an einer Trägerplatte - Google Patents

Verfahren zum Befestigen eines Halbleiterkörpers an einer Trägerplatte

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Description

bekanntes Verfahren zum Befestigen einer Siliziumplatte an einer Trägerplatte benutzt eine aus einer-Gold-Silizium-Legierung bestehende Kontaktplatte. Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren ist die Halbleiterplatte unmittelbar mit der goldüberzogenen Trägerplatte verschmolzen. Bei diesem Verfahren muß der Boden so hoch erhitzt werden, daß sich an der Stelle, an der die Platte und die Kontaktplatte oder, bei unmittelbarem Verschmelzen, die Platte und die vergoldete Fläche der Trägerplatte miteinander in Berührung stehen, ein Gold-Silizium-Eutektikum bildet. Zu diesem Zweck muß die Temperatur an der Silizium-Gold-Berührungsstelle mindestens 300° C sein, um das Eutektikum zu bilden, wobei die Temperatur, auf die der Boden erhitzt wird, bei etwa 500° C 1S liegen kann.
Dieses Erhitzungsverfahren hat den Nachteil, daß Wärme zur Siliziumplatte gleitet wird, so daß die verschiedenen Teile des Halbleiters einer hohen Temperatur ausgesetzt werden können, während weiter der ganze Verschmelzvorgang 20 bis 30 Sekunden dauern kann. Dadurch, daß die Platte so lange einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, können die physikalischen Eigenschaften des Elementes nachteilig beeinflußt werden, u. a. infolge der Tatsache, daß bei den betreffenden Temperaturen ein Material, wie z. B. das zum Anbringen der ohmschen Kontakte mit den verschiedenen Gebieten des Halbleiterkörpers in diesem vorhandene Gold, weiter mit dem Silizium legieren kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die geschilderten nachteiligen Wirkungen der zum Verschmelzen des Haibleiterkörpers mit dem Trägerkörper erforderlichen hohen Temperaturen zu verringern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Zwischenschicht selektiv erhitzt wird, wobei die Erhitzung durch Absorption einer durch den Halbleiterkörper hindurch auffallenden Strahlung derartiger Wellenlänge erfolgt, daß die Strahlung im Halbleiterkörper praktisch nicht und in der Zwischenschicht in hohem Maße absorbiert wird. Deshalb wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der geschilderten Art die Zwischenschicht mit Hilfe durch den Halbleiterkörper hindurch auf die Zwischenschicht auffallenden Strahlung erhitzt, die von einem optischen Maser erzeugt wird und eine derartige Wellenlänge hat, daß die Absorption im Halbleiterkörper niedriger als die im Material der Zwischenschicht ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Wahl eines optischen Masers mit einer geeigneten derartigen Wellenlänge, daß die Absorption im Material des Halbleiterkörpers niedrig und die Absorption in der metallenen Zwischenschicht hoch ist, diese Zwischenschicht ohne nennenswerte Erhitzung des Halbleiterkörpers stark erhitzt wird, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Struktur des Halbleiterkörpers verringert wird. Weil überdies die Strahlung des Masers in einem Bündel hoher Intensität konzentriert ist, ist es möglich, die Richtung der den Halbleiterkörper durchsetzenden Strahlung so zu steuern, daß erforderlichenfalls vermieden wird, daß gegen hohe Temperaturen empfindliche Teile des Halbleiterkörpers zu hoch erhitzt werden. Die Zeit, während welcher die Strahlung zugeführt werden muß, um eine Verschmelzung herbeizuführen, kann infolge der hohen Strahlungsintensität verhältnismäßig kurz sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zwischenschicht auf eine derartige Temperatur erhitzt, daß aus dem Material des Halbleiterkörpers und dem Material der Zwischenschicht an der Stelle, an der sich der Körper und die Zwischenschicht berühren, ein Eutektikum gebildet wird. Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die erforderliche Erhitzung noch weiter herabgesetzt wird, weil die eutektische Temperatur niedriger ist als die Schmelzpunkte jedes der beiden Materialien.
Als Zwischenschicht kann dabei ein gesonderter Metallkörper Verwendung finden, der zwischen dem Halbleiter und dem Träger angeordnet wird. Dieser Metallkörper wird als Kontaktplatte bezeichnet.
Das Verfahren ist jedoch auch vorteilhaft ohne die Verwendung einer solchen gesonderten Kontaktplatte durchführbar, in welchem Falle die metallene Zwischenschicht aus einer Metallschicht besteht, die auf derjenigen Fläche des Trägers angebracht ist, auf der der Halbleiterkörper angeordnet und mit der er dann verschmolzen wird.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren besteht die metallene Zwischenschicht aus einem gesonderten Metallkörper, der zwischen dem Halbleiter und dem Träger angebracht ist, wobei der Halbleiterkörper aus Silizium besteht und der Metallkörper Gold enthält, weil Gold und Silizium ein für das erfindungsgemäße Verfahren zweckmäßigesJEutektikum bilden. Dabei kann der Metallkörper enfweder vollständig aus Gold oder aus einer Gold-Silizium-Legierung bestehen und zwischen dem Halbleiterkörper und der vergoldeten Fläche des Trägers angeordnet werden. Bei einigen Anwendungen des Verfahrens erübrigt sich eine solche Goldschicht auf dem Träger, z. B. wenn der Metallkörper aus Gold oder einer Gold-Silizium-Legierung oder einer Gold-Zinn-Legierung besteht und zwischen dem Siliziumkörper und einer Nickel enthaltenden Trägeroberfläche angeordnet wird, mit der der Gold enthaltende Metallkörper leicht verschmilzt. Der Träger kann dabei entweder praktisch vollständig aus Nickel bestehen oder auf der Fläche, auf der der Silizium körper unter Verwendung eines zwischenliegenden Metallkörpers angebracht werden muß, mit Nickel überzogen sein.
Findet keine Kontaktplatte Verwendung und besteht die metallene Zwischenschicht aus einer auf der Fläche des Trägers, auf der der Halbleiterkörper angeordnet wird, angebrachten Metallschicht, so kann zweckmäßig ein Siliziumhalbleiter Verwendung finden, während die auf der Fläche des Trägers angebrachte Schicht Gold enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Strahlungsquelle ein optischer Gasmaser, der häufig als Gaslaser bezeichnet wird, benutzt.
Dabei wird, wenn der Halbleiterkörper aus Silizium besteht, vorzugsweise ein optischer Gasmaser gewählt, der eine Strahlung erzeugt, die im Wellenlängenbereich zwischen 3,5 und 7,5 μΐη liegt. Vorzugsweise beträgt die Wellenlänge der Strahlung etwa 5 μνη. Die Strahlung kann auch zweckmäßig in Form eines oder mehrerer Strahlungsimpulse zugeführt werden, wobei die Impulsdauer bei optischen Gasmasern einfach regelbar ist, während die Erhitzungsdauer sehr kurz bemessen werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Halbleiterkörper aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von
3 · Ωαη bestand, wurde als Strahlungsquelle ein optischer Gasmaser mit Xenon als Wirkgas verwendet, wobei die Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung 5,6 μπι betrug.
In Fig. 1 der Zeichnung ist die prozentuale Strahlungsdurchlässigkeit einer einkristallinen mit Phosphor dotierten Siliziumschicht mit einer Dicke von 200 μπι und einem spezifischen Widerstand von 3 · Qcm in Abhängigkeit von der Wellenlänge der auffallenden Strahlung graphisch dargestellt. Aus der graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß die Durchlässigkeit mit zunehmender Wellenlänge zunimmt, wobei sie im Bereich zwischen 5 und 6 μΐη einen Höchstwert aufweist, wonach sie auf einen Mindestwert bei etwa 9 /im abnimmt und schließlich wieder ansteigt.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt die Wahl der Wellenlänge des optischen Masers selbstverständlich vom Material, aus dem der Halbleiterkörper besteht, von den Elementen, mit dem er dotiert ist, und von ihren Konzentrationen ab, weil die Durchlässigkeit von all diesen Faktoren abhängig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in den Fällen vorteilhaft, in denen der Halbleiterkörper ein Dioden- oder Transistorelement, oder ein Festkörperschaltkreis ist und die Trägerplatte ein Teil einer Hülle bildet, in der das Dioden- oder Transistorelement eingeschlossen ist, z. B. deren Boden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Fig. 2 bis 5 der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 2 stellt perspektivisch den Boden der Hülle eines Transistors dar, wobei ein planares Siliziumtransistorelement und eine goldene Kontaktplatte auseinandergesprengt gezeichnet sind,
Fig. 3 stellt den Boden mit der auf ihm angebrachten goldenen Kontaktplatte und dem planaren Siliziumtransistorelement während der Befestigung des Elementes an der Trägerplätte mittels einer von einem optischen Gasmaser erzeugten Strahlung dar;
Fig. 4 zeigt in der Draufsicht den Boden in der Herstellungsstufe, in der die Kappe noch nicht angebracht ist, während Verbindungsdrähte angegeben sind, die durch Hitzedruckverbindung an den verschiedenen Gebieten des Transistorelementes befestigt bzw. mit den Stiften im Boden verschweißt sind;
Fig. 5 ist ein längs der Linie V-V der Fig. 4 geführter Schnitt durch den Boden und das an ihm befestigte planare Siliziumtransistorelement.
Fig. 2 zeigt den Boden 1 einer Transistorhülle, eine goldene Kontaktplatte 2 und ein planares Siliziumtransistorelement 3. Der kreisförmige Boden 1 mit einem Außendurchmesser von 9 mm ist aus einer goldüberzogenen nach oben tiefgezogenen Platte aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt und besteht aus einer unten hohlen Trägerplatte 4, die mit einem Flansch 5 versehen ist. In der Trägerplatte 4 sind zwei Öffnungen 6 und 7 angebracht, während die hohle Unterseite der Trägerplatte 4 mit Glas 8 (Fig. 5) ausgefüllt ist, das sich auch bis in die Öffnungen 6 und 7 erstreckt. Durch diese Öffnungen 6 und 7 sind Verbindungsdrähte 9 und 10 aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Mangan-Legierung geführt, die durch die Glasfüllung 8 gegen den Boden isoliert sind. Die Verbindungsdrähte stehen um etwa 1,5 mm über der Trägerplatte hervor, und die vorstehenden Drahtstücke werden im nachstehenden als Stifte bezeichnet. Die anderen Enden der Drähte 9 und 10 ragen unten aus dem Metallteil der Trägerplatte heraus und dienen zum Anbringen äußerer Verbindungen mit der Emitter- und Basisschicht des Transistors. Ein dritter in die Glasfüllung 8 eingeschmolzener Verbindungsdraht 11 aus »Fernico« ist an die Unterseite des Bodens der Trägerplatte angeschweißt (Fig. 5). Dieser Draht dient zum Herstellen einer äußeren Verbindung mit der Kollektorschicht des Transistors. Der Flansch 5 des Bodens hat eine Zunge 12, auf der
*5 Kennzeichen angebracht werden können. Die goldene Kontaktplatte 2 ist eine Scheibe mit einem Durchmesser von 1,4 mm und einer Dicke von 25 μηι. Das planare Siliziumtransistorelement 3 besteht aus einem 200 μηι dicken scheibenförmigen Körper von
1 X lmm mit einem spezifischen Widerstand von 3 · Qcm, der auf der Oberseite mit Aluminiumkontakten 13 und 14 versehen ist, die mit der Emitter- bzw. der Basisschicht ohmschen Kontakt machen.
Das planare Siliziumtransistorelement wird auf die nachfolgende Weise an der Trägerplatte 4 des Bodens befestigt.
Der Boden wird in einer Lehre 15 (Fig. 3) mit der Zunge 12 in der dargestellten Lage von den Drähten 9, 10 und ll^-die in nichtdargestellte Löcher der Lehre passen, in der richtigen Lage gehalten. Die goldene Kontaktplatte 2 wird genau am richtigen Ort auf der Fläche 4 des Bodens und das Element 3 genau in der Mitte der oberen Fläche der Kontaktplatte 2 angeordnet. Die Trägerfläche 4 des Bodens, die Kontaktplatte 2 und das Element 3 werden mit einer reduzierenden Atmosphäre umgeben. Das Strahlungsbündel 16 eines optischen Gasmasers 17, bei dem das wirksame Gas Xenon ist, wird auf die obere Fläche des Elementes 3 gerichtet. Die Strahlung besteht aus einer Impulsreihe und hat eine Wellenlänge von etwa 5,6 μπι.
Die Strahlung, die durch den Siliziumkörper an einer Stelle hindurchgeht, an der die Absorption verhältnismäßig gering ist, trifft die goldene Kontaktplatte 2, in der die Absorption verhältnismäßig hoch ist. Auf diese Weise ergibt sich eine starke Erhitzung der Kontaktplatte 2, welche Erhitzung ausreicht, um die Temperatur der Kontaktplatte auf mindestens 370° C zu erhöhen und an der Stelle, an der sich das Silizium und das Gold berühren, ein Eutektikum zu bilden. In der dünnen sich ausbreitenden flüssigen Schicht werden sowohl das Gold und das Silizium gelöst, bis sich all das Gold der Kontaktplatte in der eutektischen Gold-Silizium-Legierung befindet, die nach Beendigung der Bestrahlung durch Abkühlung erstarrt, wodurch das Element an der goldüberzogenen Oberfläche 4 befestigt ist.
Nach der Befestigung werden die Enden der Golddrähte 21 und 22 an einem Ende durch ein Hitzedruckverfahren mit den ohmschen Kontakten 13 bzw. 14 verbunden und am anderen Ende mit den Stiften 9 bzw. 10 verschweißt. Danach wird der Transistor dadurch fertiggestellt, daß die Kappe der Hülle mit dem Boden verschweißt wird.
Hierzu 3 Matt Zeichnungen

Claims (1)

  1. I 514 288
    Patentansprüche:
    1. Verfahren zum Befestigen eines Halbleiterkörpers an einer Trägerplatte, bei dem zwischen dem Körper und der Trägerplatte eine Zwischenschicht aus Metall angebracht und der Körper durch Erhitzung mit der Trägerplatte verschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung dadurch erfolgt, daß die Zwischenschicht mit Hilfe einer durch den Halbleiterkörper auf die Zwischenschicht auffallenden Strahlung erhitzt wird, die von einem optischen Maser erzeugt wird und eine Wellenlänge hat, für die die Absorption im Halbleiterkörper niedriger als im Material der Zwischenschicht ist.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Strahlung die Zwischenschicht auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich an der Stelle, an der sich der Halbleiterkörper und die Zwischenschicht berühren, ein Eutektikum aus dem Material dieses Körpers und dem Material dieser Zwischenschicht bildet.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht aus Metall Verwendung findet, die einen gesonderten Metallkörper enthält, der zwischen dem Halbleiterkörper und der Trägerplatte angeordnet wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht aus Metall Verwendung findet, die aus einer auf einer Fläche der Trägerplatte vorgesehenen Metallschicht besteht, auf der der Halbleiterkörper angeordnet wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Silizium und ein Gold enthaltender Metallkörper als Zwischenschicht benutzt werden.
    H. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Silizium und eine Gold enthaltende, auf der Oberfläche des Trägerkörpers vorhandene Metallschicht als Zwischenschicht benutzt werden.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein optischer Gasmaser Verwendung findet.
    K). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Silizium und ein optischer Gasmaser, dessen Wellenlänge im Bereich zwischen 3,5 und 7,5 μηι liegt, benutzt werden.
    11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Maser Verwendung findet, dessen Strahlung eine Wellenlänge von etwa 5,5 μΐη hat.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
    11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlung Verwendung findet, die aus einer Vielzahl von Strahlungsimpulsen besteht.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
    12, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper ein Dioden- oder Transistorelement oder ein Festkörperschaltkreis Verwendung findet, und daß eine Trägerplatte benutzt wird, die einen Teil der Hülle bildet, in der das Dioden- oder Transistorclement eingeschlossen wird.
    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen eines Halbleiterkörpers an einer Trägerplatte, bei dem zwischen dem Körper und der Trägerplatte eine Metallzwischenschicht angebracht wird, wonach der Körper durch Erhitzung mit der Trägerplatte verschmolzen wird.
    Für die Massenherstellung von sogenannten Planartransistoren und Festkörperschaltkreisen kann als Ausgangsmaterial ein dünner plattenförmiger Körper aus Halbleitermaterial Verwendung finden, z. B. eine 200 μπι dicke Siliziumplatte, in der durch aufeinanderfolgende Arbeitsgänge, wie Maskieren, Ätzen und Diffundieren, die verschiedenen Gebiete eines Transistors gebildet werden oder in der zum Herstellen eines Festkörperschaltkreises die gesonderten Schaltelemente und ihre Verbindungen gebildet werden. Es ist üblich, die Fertigung so auszuführen, daß eine Vielzahl einzelner Elemente, Transistoren oder Festkörperschaltkreise, gleichzeitig in einer einzigen Platte hergestellt werden. Diese Platte wird dann in eine Vielzahl kleinerer Platten, z. B. mit den Abmessungen 1 mm X 1 mm X 200 μπι unterteilt, derart, daß jede der erhaltenen kleineren Platten aus einem einzelnen Element, einem Transistor oder Festkörperschaltkreis, besteht.
    Nachdem das Transistor- oder Festkörperschaltkreiselement erhalten worden ist, muß in einer folgenden Stufe der Fertigung das Element auf einem Träger befestigt und die äußeren elektrischen Verbindungen mit den verschiedenen Gebieten des Halbleiterkörpers hergestellt werden. Die Platte kann z. B. auf einer flachen Fläche des Bodens einer Hülle befestigt werden, in der die Platte eingeschlossen wird. Ein solcher Boden kann aus einer kreisförmigen Trägerplatte aus Metall bestehen, an dessen Umfang mehrere Drähte angebracht sind, die durch den Boden hindurchgeführt sind und mittels Glas gegen ihn isoliert sind. Die Drahtstücke, die an der von der Fläche, auf der die Platte befestigt ist, abgekehrten Seite unter dem Boden hervorstehen, dienen als äußere elektrische Anschlüsse, während die auf der anderen Seite vorstehenden Drahtstücke, die sich beim fertigen Transistor innerhalb der Kappe der Hülle befinden, als Stifte bezeichnet werden. Die Kappe wird an einem Flansch des Bodens befestigt. Ein Stift wird mit einem Gebiet des Halbleiterkörpers durch ein Drahtstück verbunden, dessen eines Ende mit einem auf der Oberfläche der Halbleiterplatte angebrachten ohmschen Kontakt des betreffenden Gebietes verbunden wird, während das andere Drahtende mit dem betreffenden Stift verbunden wird.
    Zur Befestigung wird die Platte üblicherweise mit dem Boden verschmolzen. Wenn der Halbleiterkörper aus Silizium besteht, kann dieses Verfahren auf die nachstehende Weise durchgeführt werden. Eine dünne Goldscheibe wird zwischen dem Siliziumkörper und einer goldüberzogenen Fläche der metallenen Trägerplatte angeordnet. Die Befestigung erfolgt dadurch, daß die Goldscheibe, die nachstehend als Kontaktplatte bezeichnet wird, auf der goldüberzogenen Fläche der Trägerplatte in der gewünschten Lage angeordnet wird, in der die Siliziumplatte in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre auf der goldenen Kontaktplatte ruht, wonach der Boden auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich ein GoId-SiIi-/ium-Eutektikum bildet, wonach das Ganze abgekühlt wird, so daß die Sili/iumplatte mit der vergoldeten Trägerplatte verschmolzen ist. Hin anderes
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