DE1589502A1

DE1589502A1 - Verfahren zum Anloeten mindestens eines metallischen Anschlussleiters an einen Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1589502A1
Application number: DE19671589502
Authority: DE
Inventors: Tittes Dipl-Phys Dr Eberhard; Hartmann Horst Joachim; Alfred Ortlieb; Guenther Schmid; Leibfried Dipl-Phys D Wolfgang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1967-02-24
Filing date: 1967-02-24
Publication date: 1970-01-02
Also published as: DE1589502B2; DE1589502C3

Description

Verfahren zum Anlöten mindestens eines metallischen Anschlußleit.ers an einen Halbleiterkörper Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlöten mindestens eines metallischen Anschlußleiters an einen metallisierten Halbleiterkörper sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Sei de ' r Mehrzahl der Halbleiteranordnungren hängt die Leistungs-£ähigkeit im Detrieb unmitt,elbar von den L#;igeris-chaft(,A der blektrodenanschlüsseab. Derartige Anschlüsse sollen einen niedrigen elektrischen übergangswiderstand, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe mechanische Festigkeitaufweisen.
Die bekannten Verfahren der eingangs genannten Art erzeugen stets einen mehr oder weniger großen Gehalt an Lunkern in den Lötfugen zwischen den metallischen Anschlußleitern und dem-metallisierten Halbleiterkörper. Durch die.Lunker wird der wirksante Querschnitt der Lötfugen verkleinert und damit der Übergangswiderstand erhöht und die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Pestigkeit verkleinert. Es ist eine Aufgabe der Lerfindung, die Nachteile der bekannten Verfahren der,eingangs genannten Art zu vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Anlöten von metallischen Anschlugleitern an einen metallisierten Halbleiterkörper zu entwickeln, das zu lunkerfreien Lötfugen zwischen dem metallisierten -Halbleiterkörper und den metallischen Anschlußleitern führt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dgß flüssiges. Lot ti in diner sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre auf mindestens einen dieser beiden Teile -aufgebracht wird und anschließend diese feile ohne Verwendung eines Flußmittels zusammengelötet werden* Das Aufbringen des Lots kann dabei durch 3chwall-Löten, gankaden-Lötenp durch Tauchen oder üurch Auftropfen-erfolgen. Besonders vorteilhaftist es aber, das flüssige Lot im Lo-tstraulverfahreri aufzubringen-* i - weckmäßig werden die mit Lot überzogenun Tiiie anachließena in einer sauerstofifreien Schutz""asatmosphäre zusammengelötet.

Die Erfindung.soll nachstehend anhand der Zeichnung näher.erläutert werden. Es zeigen;

Fig. 1 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des

Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 verschiedene mit.einex Lotschicht versehene metallteche

Anschlußleiter;

Fig. 3 ein. opezielles AusführungSbeiapiel einer Vorrichtung zur

Durchführung (Les erfindungsgemäßen Verfahrens im Vertikal-

schnitt durch die Achse des Loistrahla;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Anordnung

nach Pig. 3;-

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Vorophubeinrichtung

zum automatischen Transport der mit Lot zu Überziehenden

Teile;

Fig. 6 einen Teil der Vorschubeinrichtung nach'10ig.. vergrößert;

Fig. 7 das elektrische Schaltbild der Vorschubeinrichtung nach den

Fig.-5.und 6.

In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip-des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt Dabei zeigt-Fig. la das Aufbringen des Lote auf einen metallischen-Anächlußleiter' 1.-1, welcher beispielsweise ala Kopfdraht ausgebildet sein kann# Pig. lb das Aufbringen des Lote auf einen.--metallisierten Halbleiterkörper 89 dessen metallische Kontaktschicht mit 9 bezeichnet ist. Die unbeschichtete Halbleiteracheibe ist dabei mit 7 bezeichnet. Der metallische Anschlußleiter 11, beispielsweise aus Kupfer, kann ebenfalls mit einer metallischen Koniaktschichtg beispielsweise aus Nickel, vers , ehen sein.

Das Prinzip des Verfahrens ist im Falle der Fig. la dasselbe wie im Falle der Fig. lb: Das mit Lot zu belegende Illeil 11 bzw. 8 wird in einen nach außen abgochlosseneng mit aauerstofffrelemi 1-"egebenerifa"iIi3 reduzierendem Schutzgas gefUllten Raum gebracht# dessen Umgrenzung tjyrüboliäöh-bei 1 angedeutet ist. Dann wird auf die mit Lot zu über-,ziehende-Kontaktfläche 12 flüseibyeag schlackefreies Lot aufgebracht. Hierzu kann beispielsweise ein gerichteter Lotetrahl 10 verwende.t und mit der mit Lot zu Uberziehenden Kontaktfläche 12 in Berührung ge-.bracht werden (Lotstrählverfahren). üm dabei schlackefreies Lot aufzubriingeni ist es zweckmäßigg- das Lot fUr die Bildung des Lotetrahle aus einem Behälter dicht oberhalb den ßehälterbodens zu entnehmen* In Pig. 2 ist die aufgebrachte Lotmenge 13 In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des an der Kontaktfläche 12 vorbeigel'ithrten Lote dargestellt. Fig.-2a zeigt die aufgebrachte Lotzenge bei ruhendem oder sehr langsam bewegtem Lote die Figuren 2b und 2c bei höheren und die Figuren-2d und 2e bei sehr hohen Lotgeschwindigkeiten, Das Aufbringen den Lote erfolgt bei beiden AunfUhrungebeispielen (nach P.ig. la und ib) in einem in dienen Piguren nicht nähe*r dargestellten, mit aauerstofffreiem Schutzgas durchströmten Kanal.-Durch diesen'Kanal*werden die mit Lot zu überziehenden Teile 11 bzw. 8 hindurchgeführt und, bevor sie mit dem Lotetrahl in Berfihrung gebracht werden, aufgeheizt und nach dem Berühren den Lotetrahle wieder abgekühlt. Beim anschließenden Zusai=enlöten. werden die mit'Lot Uberzogeben 6 Teile mit den an sie anzulötendeng von Lot freien oder gegebenenfalls* auch mit Lot Überzogenen Teilen duedh Montage zusammengefUgt und in einem zweiten Wärmeprozeß zu fertigen Bauelementen verarbeitet. Dabei werden die Teile wieder durch einen mit aauer:3toftfreiem ächutzgas durchströmten Kanal hindurchgeführt. It diesem lhpaniil werden die' Teile wieder zuerst aufgeheizt und anschließend - nachdem das Zusammenlöten erfolgt ist - wieder abgekühlt. Die Anwendung von speziellen Flußwitteln ist dabei nicht nötig und nicht zweckmäßig, da bei deren Verwendung stets irgendwelche Plußmittelrückstände in den Lötfugen eingeschlossen werden würden, was nicht züi einer lunkerfreien Lötung führen würde.
Jie Fig. 3 bis 7 beziehen sic.h auf den für das. Verf ahren w4ächtizz-3EO-en zchritt: das Aufbringen des Lots. In ditg#n ?iguren ist für den ?all des Ausführungsbeizpie13 nach Fig. la eine kompletzte Vorrichtung -,um Aufbringen des Lots dargestelltg was aber nicht im Siane einer Beschränkung auf dieses Ausführungsbei3piel zu verstehen ist.
In Fig. 3 sind dabei die MilUtel zur Erzeugung des Lotstrahie 10 dargestellt. In einem Behälter 14 ist'ain großer Überschuß an Lot vorgesehen, welches aus einer Blei-Zinn-Legierung besteh-,91,0 und vorzugeweise 92% Blei und 8% Zinn enthält. Der Behälter 14 wird durch Heizwicklungen 15, die um den Behälter g elegt und nach außen durch eine isolierende Wand 16 abgedeckt a ind, beheizt und so das Lot 17 im Behälter 14 geschmolzen. Das geschmolzene Lot wivd mit Hilfe einer Schleuderpumpe 18 durch eine ßohrung 191'aie im Mantel des Behälters .dicht'oberhztlb des Behälterbodens angebracht ist, abgeaaugt und in ein Rohr 20 gepumpt, aus welchem es durch eine Düse 21 in einem gerichteten Strahl 10 austritt.

obachten, welches auf die Perührungsstelle zwischen Anschlußleiter-und Lotätrahl gerichtet ist (Fig.5).
Vor dem Auf bringen des 'Lots mÜssen die Anachlußleiter an ihren Kontaktflächen 12 von der Oxydschicht befreit werden, die sich stets an der dtzt)osphärisclien Luft an ihrer Oberfläche bildet. Dies gesciiieht dadurch, da13 die Anschlußleiter im Führungskarial 22 vor dein Erreichen des Lotstrahls 10 in einer reduzierenden Schutzgaoatmosphäre auf eine Temperatur von ca.-560 0 C erwärmt werden.
Das der Vorrichfung in kaltem Zustand zugeführte Schutzgang das aus Wasserstoff oder einer blischung von Wasserstoff und Stickstoff bestehen karin, wird dabei in zwei jeweils oeltlich am Führungskanal 22 t"ngebr-ächten Heizkanälen 279 von'denen in Pig. 5 nur der dem Betrachter zugekehrte Heizkanal dargestellt ist, aufgeheizt. Die Heiskanäle 27 erstrecken sich in axialer Richtung von der Eintrittaöffnung 28 des Führungskanals etwa bis zum L4tetrahl 10 und sind Jewelledurch eine Umhüllung 29 nach außen thermisch inoliert. Sie werden durch je zwei-axial verlaufende Heizetäbe elektrisch beheiztu deren aeitliche Verankerung im Falle des dem Betrach ter zugeiehrteh Heizkanals bei 30 angedeutet ist. Das aufgeheizte Schatzgan tritt oberhalb den Behälters 14 aus den Heizkanälen 27 in den FUhrungskanal 22 Uher, durchströmt diesen nach rechte und linke und-tritt'dann an der Eintritten bzw. Austrittaöffnung der Magazine 23 aus-den ?Uhrungskanal aus.
Um zu verhihderne daß die auf hohe Temperatur gebrachten Anschlußleiter 11 beim Austritt an die atmosphärische Luft stark oxydieren# werden diese zuvor im Pührungskanal 22 etwa bis auf Zimmertemjaeratur abgekühlt. Zu diesem /,weck ist an dem der Austrittaöffnung 3) zugewandten Teil des Führungekanals 22 zu beiden Seiten je ein mit-Kbhlwasser durchströmter Kühlkana132 angebracht. Da d-ie,.,Anachlaßleiter in den Magazinen 23 fest gehaltert sind vnd die Magazine 23 die-Iimenwand

Die Auffanghaube 37 hat außeruem den Zweck, das in den Behälter 14 zurückströmende Lot stark abzubremsen, um die Zahl der öchwebeteilchen müglichst klein zu halten, die durch Zersprühen dieses Lots beim Auftreffen auf dem im Behälter befindlichen Lot 17 entstehen.
Um zu verhindern, daU solche Schwebeteilchen durch das aus dem Fünrungskanal ausströmende Schutzgas in die umgebende A-tmoop-,iäre getragen werden, ist an den beiden Öffnungen 28, 31 des ?ührungskanala jeweils eine Absaugvorrichtung vorgesehen. Von diesen beiden Absaue-.vorrichtungen ist in Fig.-5 nur diejenige bei 39 dargeitellt, die an der Eintrittsöffnung 28 angebracht ist. Diese ist an der zum Aufreihen d'er-Magazine dienenden Rinne 40 seitlich befestigt und saugt das aus der Eintrit-t-.söffnung 28 ausströmende heiße Schutzgas durch eine Vielzahl von in der Rinne angebrachten Bohrungen 41 ab, ohne daß dabei die Strömun-sverhältnisse im Führungskanal 22 ungünstig be' einflußt werden.
Die zum automatischen Transport der Anschlußleiter dienende Vorschubeinrichtung ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt-. Sie umfaßt ein als Zugstange ausgebildetes Zugglied 42,das in einer Ausnehmung an der Außenwand des FUhrungskanals 22 mit Hilfe eines Lagers 43 axial verschiebbar geführt, ist. An dem der Eintrittaöffnung 28 des Pührungskanals zu,-"eÄeti.-ten Ende des Zug-lieds 42 ist ein Greifer 44 schwenkbar befestigt, der dazu dient, die Magazine'23 in den ?iihrungskanal 22 zu achieben.-Die Lage der Drehachse des Greifers ist relativ zu dessen Schwerpunkt so gewähllt, daß der Greifer bestrebt ist, sich unter der Nirkung der Schwerkraft entgegen der Pfeilrichtung A in seine in Fig. 6 gezeichnete Arbeitsstellung zu schwenken, in der sein oberer' Lappen 44a auf der Deckfläche 42a des Zugglieds 42 aufliegt.
An dem von der Eintrittsöffnung 28 des FührungskanaLs abgekehrten Ende des Zugglieds 42 ist eine c#eIte 45 befestigt, die das Zugglied in Vorschubrichtung der Magazine 23 entgegen der Kraft-einer Rückstellfeder 46 antreibt, welche ebenfalls an der Außenwand'den PUbrungskanals gelagert und bestreblist..das Zugglied 42 Über-ein in einem ?ührungsrohr-47 geführtis Zwischenglied 48 in die in Ptg. zeichnete Ausgangsstellung zu treiben.
Die Kette 45 wird, vom Zugglied 42 aus gesehen, zuerst durch ein an Pührungskanal gelagertes erstes Um-lenkritzel 49 nach unten unä dann durch ein mit dem Führungskanal ebenfalls fest verbundenes zweites Umlenkritzel 50 nach oben umgelenkt. Das nach oben umgelenkte Ende .der Kette 45 ist an einem Schlitten 51 befestigt, welcher in einer Führung 52 vertikal verschiebbar ist. Der Schlitten 51 wird von eine« -nicht dargestellten, ständig laufenden Blektionotorg der mit kautanter Geschwindigkeit betrieben wird, intermittierend angetrieben. Zu dien ew-Zweck ist neben dem Schlitten eine vom Motor angetriebene Gewindespindel 53 vorgesehen, deren Achse parallel zur Bewegungsrichtung des Schlittens verläuft und die mit einer nicht dargestellten am Schlitten befestigten Halbschalenspindelmutter zusammenarbeitet. Die Halbschalensgindelmutter wird mit Hilfe eines ebenfalle am jchlitten befestigten Elektromagneten 54, dessen Anker 55 mit der Halbschalenspindelmutter über-eine Schwinge 56 verbunden ist, mit der Gewindespindel 53 in und außer Eingriff gebracht. Dabei iat die Steigung der Gewindespindel 53 so gewählt, da£ der Schlitten 51 nach oben transportiert wird, wenn die Halbschalenspindelmutter mit der Gewindespiudel 53 in Eingriff ist. Kommt die Halbschalenspindelmutter mit der Gewindespindel außer Eingriffi so fällt der Schlitten 51 unter der Wirkung der Schwerkraft nach unten.
Die Umkehrpunkte des ichlittens 51 bei dieser Auf- und Abwärtsbewegung werden durch bruckschalter S 11 s2 festgelegt, die, wie in Fig-7 schematisch angedeutet, am unteren bzw. am oberen Ende das Bewegungewegs des Schlittens angeordnet sind und vom Ochlitten selbst beCtigt werden. Der Schalter S 1 ist dabei als Schließer, der Schalter 3 2 als 1, Offner ausgebildet. Gemäß Fig. 7 arbeit en die Schalter Sl. 32 mit einem, Relais R zusammenp welches zwei weitere Schalter S enthält. Das Relais R Ist so aus.-39 S4 gestaltet, daß die Schalter S S geöffnet sind., wenn die Erreger-3 4 wicklung L 1 des Relais stromlos ist.
Die Schaltungselemente S 19 S2 , R sind mit der Betriebestromque . lle und der Erregerwicklung L 2 des Elektromagneten 54 in folgender «eise verbunden: Vom Pluspol der Betriebestromquelle Q zu, deren Minuspol fWirt erstens die Reihenschaltung aus der Erregerwieklung L 2 und dem Schalter 2 4 und zweitens - parallel hierzu - die Reihenschaltung aus den Schalter-n S 2 und S 3 und der Erregerwicklung L l' Ferner ist die Ve#bindungsleitiing zwischen dem Schalter S 3 und der Erregerwicklung L 1 über den Schilter S 1 an den Pluspol der Betriehastromquelle Q angeschlossen.
Bei geöffneten Schaltern S 39 S 4 ist die Erregerwicklung L 2 des Elektromagneten stromloa, so daß die Halbschalenapindelmutter gelöst ist und der Sch litten 51 nach unten fällt. fird nUn, beim Ankommen des Schlittens 51 am unteren Ende-seines Bewegungswe_,s der Schalter 8 geschlossen, so erhält die Erregerwicklung L 1 Über, den ichalter S 1 -Stromp so daß die Schalter S 39 s 4 ebenfalls geschiossen werden und die Erregerwicklung,L 2 des Blektr'Qmagr-eten erregt,wird. Dadurch kozunt die flalbschalenspindelmutter mit der Gewindespindel 53 in ßingriff und der Schlitten 51 bewegt sich nach oben, woduriqb der ichalter 3 wieder geöffnet wird. Die Erregerwicklung L, 1 erhält jetzt über-die Schtilter S itrom. Beim Auftreffen(Les Schlittänzi 51 auf den 2P S3 Schalter z; wird die Erre-erwicklung L wieder etraalas, so daß die 2 ci 1 Schalter 5 S sich erneut öffnen. und daa besch-riebene Spiel Yon 31 4 neuem beginnt.
Die so gesteuerte Auf- und Abwärtsbewegung deu Sch-.#i#tens 51 bewirkt, daß das Zugglied -42 im gle'ichenRhythnias hin- und herbew.egt wird, Jedeamalv.wenn der Schlitten 51,nach oben bewegt wirdg wird einen der Magazine 23 mit Hilfe des Greifers 44 in Pfeilrichtung B der Fig. 6 in den Pührungskanal geschoben* Die Magazine 23 werden in der Rinne 40 aufgereiht ind können so nacheinander von Greifer erfaßt werden.
Bei-der-Abwertsbewegung des Schlittens 51 wird das Zugglied 42 durch -die Rückstellfeder 46 in Pfeilrichtung C bewegt-, wobei der Greifer 44 in Pfeilrichtung A geschwenkt wird und über das als nächstes zu trannportierende Magazin hinweggleitete vor welchem er unter der Wirkung - -der Schwerkraft entgegen der Pfeilrichtung A in seine Arbeitestellung eInschwenkt.
Bei de m sich anschließenden, in Pfeil-richtung B ve-rlaufenden Arbeiteub des Greifets 44 werden sämtliche Magazine im Pührungskanal um eine. Magazinlänge weitergeschobent während bei der hücklaufbewegung des Greifere sämtliche Magazine im Führungskanal stehenbleiben. Bei dieser RuhesteIlung der idagazine steht der Lotetrahl 10 jeweils auf Lücke zwischen zwei benachbarten MagaZinen.
Um-,beim Ankommen des Schlittens 51 am unteren Ende seinen-Bewegungewegs einen harten Aufechlag zu verhinderiig ist eine:Abbremavorrichtung vorgesehen. Diese Abbrecavorrichtung besteht aus einem senkrecht im Raum angeordneten Zylinder 57 und einen in seinem Innereii geführten Kolben 58, der Über eine Kolbenstange 59 mit dem-Schlitten 51 fest - ve-rbunden ist.: Am Deckel und am Bodeh den Zylinders 57 eincX Venüle angebracht, die das Ein- und Ausströmen von Luft in den bzw. aus dem Zylinder drosseln.. Diese Ventile sind so bemessen, daßderjachlittert, wenn er nach unten fällt, vor dem &ufachlag starkalWuretatt,wird,# die wesentlich lan,safmere Aufwärtsbewegung d#B Schlittens jedochnicht beeinträchtigt wirde

Claims

Neue Ana2rilche 1. Verfahren zum Anlöten mindestens eines metallischen Ann:chlußleitern (11) an einen metallisier-'Gen fialbleiterkörper (8), dad4rch gekennzeichnet, daß flüssiges Lot in-einer sauerstofffreien Schutzgasatmosphäre auf mindestens einen dieser beiden Teile (Bj 11) aufgebracht wird und anschließend diese Teile (8, 11) ohne Verwendung eines Flußmittels zusammengelötet werdeno Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß'tdie mit*Lot Uberzogenen Teile (8, 11) mit-den an sie anzulötenden Beilen (11 bzw. ö) unter sauerstofffreiem Schutzgas zusammengelötet werden 3. Verfnhren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Lot auf die Teile (8, 11) im Lotstrahlverfahren aufgebracht wird. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnetg daß das zum Aufbringen auf die Teile (8, 11) best"Imatte flüssige Lot auil einem Jehälter (14) dicht oberhalb des Beh#iltcrboderis entnommen wir Verfahren nach den Anspr;;chen 1 bis 4, dadurch #-,i3 kennieichriet, daß aie mit Lot zu überziehenden Teile (8, 11) durch einer:L mit reduzierendem 3chut,--i",:is durchströmten Führungskanal (22) hinuurch-.geiiihrt werden, in welchem sie vor dem Aufbringen des Lots erwärmt und nach (lem-Aufbringen aes Lots wieder abgekühlt werden. 6. Verl'ahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dam die Kontaktfl,ichen (12) aler mit Lot zu belegenden Teile (89 11) beim Aufbringen des Lots horizontal orientiert werden. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 0', dadurch gekennzeichnet, daß die Y.on+.uktflr-*.t'chen (12) den eine parabelförmige Bahn beschreibende., Lotstrahl ('1-0) etwa.in dessen Scheitel berühren. 8. Veriahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dau die mit Lot zu belegenden Teile (8, 11) beim Aufbringen des Lots senkrecht zum Lotstrahl (10) bewegt worden. g. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gelrenn.-eichnet, daß eine belie.big große Zahl von mit Lot zu belegenden Teilen (8, li) in einer fox-.,laut*enaen Kette am Lot',strahl (10) so vorb61ge'£'Uh--i.' wirct aaß die einzelnen Teile (8 bzw.191) nacheinander mit dem Lotatrahi in Berührung Icammen. V f erlahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Aufbringen aü-r' die Teile ('S, llj' bes'111-immte Lot in einer reü(,.,j-erend,##.,i Schutzgaßatmosphäre geschmolzen wird. 1. Vorrichtung z r Durchführung aes Verfahrene nach den Ansprüchen u 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, aaß ale Auaetröndüi3e»zur Bil-