DE1591113B2 - Verfahren zur befestigung eines integrierten schaltungsplaett chens auf einem substrat - Google Patents

Verfahren zur befestigung eines integrierten schaltungsplaett chens auf einem substrat

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DE1591113B2
DE1591113B2 DE1967E0033622 DEE0033622A DE1591113B2 DE 1591113 B2 DE1591113 B2 DE 1591113B2 DE 1967E0033622 DE1967E0033622 DE 1967E0033622 DE E0033622 A DEE0033622 A DE E0033622A DE 1591113 B2 DE1591113 B2 DE 1591113B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Befestigung eines integrierten Schaltungsplättchens (Festkörper-Schaltungsplättchen) an mehreren leitenden Stegen auf einem Substrat (Träger).
Integrierte Schaltungsplättchen aus Halbleitermaterial werden üblicherweise auf einem Halterungssubstrat aus keramischem Material befestigt, und zwar mit Hilfe von elektrisch leitenden Stegen, die eine elektrische Verbindung zwischen den Bauteilen des Plättchens und den zur Einschaltung des Plättchens in eine elektronische Schaltung erforderlichen Leitern ermöglichen. Es ist äußerst wichtig, daß alle Verbindungen zwischen den Plättchen, den Stegen und dem Substrat mechanisch und elektrisch einwandfrei sind, da anderenfalls die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der integrierten Schaltung stark beeinträchtigt wird.
Die Ausbildung von Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen eines integrierten Schaltungsplättchens ist auf Grund der stark unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Materialien der Elemente und der sehr geringen Abmessungen der Elemente ein sehr schwieriger Vorgang. Auf Grund der verwendeten Materialien ist es erforderlich, irgendeine Schweißtechnik bei der Herstellung der integrierten Schaltungen zu verwen^ den, und dies setzt voraus, daß die verschiedenen Elemente der integrierten Schaltung ausreichend hohen Temperaturen ausgesetzt werden, um das Schmelzen der zu verschweißenden Elemente zu ermöglichen.
Halbleitermaterialien sind jedoch im allgemeinen gegen Beschädigungen durch Wärme sehr empfind-
3 4
lieh, so daß sie grundsätzlich nicht besonders für krön tiefe Vertiefungen 11 ausgebildet sind. Leitkis-
Schweiverfahren geeignet sind. Diese Schwierigkeit sen 12 von ungefähr 2,5 Mikron Dicke sind an der
wird noch durch die geringe Dicke des für die inte- unteren Oberfläche des Plättchens unterhalb der
grierten Schaltungsplättchen verwendeten Materials Vertiefungen 11 ausgebildet. Die Kissten 12 sind mit
vergrößert. Weiterhin müssen die für integrierte 5 den Schaltungsbestandteilen im Plättchen elektrisch
Schaltungselemente verwendeten Halbleitermateria- verbunden und schaffen Eingangs- und Ausgangs-
lien extrem genau festgelegte elektrische und elektro- schaltungspfade für diese Schaltungsbestandteile,
nische Eigenschaften aufweisen, die in vielen Fällen Das Plättchen 10 ist oberhalb eines keramischen
temperaturabhängig sind. Daher besteht die Gefahr, Substrats (Träger) 13 gehalten, an dessen oberer
daß die zum Schweißvorgang benötigte Wärme die io Oberfläche Metallstege 14 von ungefähr 50 Mikron
Schaltungsplättchen derart beschädigen könnte, daß Höhe derart befestigt sind, daß die Stege 14 und die
ihre elektrischen Eigenschaften derart verändert wer- Kissen 12 — wie gezeigt — zusammengepreßt sind,
den, daß das Schaltungsplättchen nicht mehr die ge- Die Stege 14 sind auf Bahnen 15 ausgebildet, die
wünschten Eigenschaften aufweist. über die Oberfläche des Trägers verlaufen und die
Weiterhin kann die beim Schweiß Vorgang benötig- 15 Verbindungen zwischen diesen Stegen und weiteren te Wärme zur Ausbildung von mechanischen. Span- Stegen bilden, die mit anderen Plättchen auf dem nungen in den zu verschweißenden Elementen füh- gleichen Träger verbunden sind. Die Bahnen scharren, die zu nicht einwandfreien Verschweißungen fen auch Verbindungen für Eingangs- und Ausgangsoder zur teilweisen Zerstörung einer verschweißten schaltungen.
Verbindung führen können. 20 Zur Befestigung des Plättchens auf dem Träger
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wird ein Elektronenstrahl für eine vorbestimmte
Verfahren zur Befestigung eines integrierten Schal- Zeitspanne auf das Plättchen gerichtet, wobei der
tungsplättchens an mehreren leitenden Stegen auf Strahl durch das Plättchen läuft und die oberen Teile
einem Substrat zu schaffen, bei dem keine Gefahr der der darunterliegenden Stege 14 schmelzt, wodurch
Beschädigung des integrierten Schaltungsplättchens 25 Schweißverbindungen zwischen den entsprechenden
besteht und bei dem sich einwandfreie elektrische Kissen und Stegen 14 beim Wiedererstarren der Stege
und mechanische Verbindungen zwischen dem Schal- gebildet werden. Der Schweißvorgang wird in einem
tungsplättchen und dem Substrat ergeben. Vakuum oder unter einer inerten Atmosphäre ausge-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- führt.
löst, daß ein Elektronenstrahl von geeigneter Energie 30 Diese Schweißtechnik ist insbesondere für automa-
mindestens auf die Zonen des Schaltungsplättchens tische oder halbautomatische Verfahren geeignet, und
gerichtet wird, die über den Stegen liegen, daß die im folgenden wird unter Bezugsnahme auf Fig. 3
Stege aus einem Werkstoff mit niedrigerem Schmelz- ein derartiges Verfahren beschrieben. Ein Ausleger
punkt als das Plättchen bestehen, und daß der durch 20, der ein Plättchen 21 hält, ist mit einer Vielzahl
das Plättchen, ohne es zu schmelzen, durchtretende 35 von Kanälen 22 oberhalb des Plättchens ausgebildet
Elektronenstrahl in die Stege gelangt und diese in der und gestattet damit, daß ein Elektronenstrahl durch
Nähe des Plättchens schmelzt und auf diese Weise die vertieften Teile des Plättchens 21 laufen kann,
das Plättchen mit den Stegen verschweißt. Von einem (nicht gezeigten) Arbeitstisch wird ein
Auf diese Weise ist es möglich, das Schaltungs- mit einer Vielzahl von Stegen 24 ausgeibldeten Träplättchen mit dem Substrat oder Träger ohne über- 40 ger 23 getragen und derart gesteuert, daß er in eine mäßige Erwärmung des Schaltungsplättchens zu ver- spezifische vorgegebene Stellung unterhalb des Haischweißen, da lediglich die Stege geschmolzen wer- ters 20 bewegt wird. Das Steuersystem zur Einsteiden müssen. lung des Trägers entspricht einem normalerweise für
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Elektronen- X/Y-Schreiber verwendeten Steuersystem,
strahl der Reihe nach auf die über jedem Steg liegen- 45 Sobald der Träger in seine Stellung gebracht ist,
den Zonen des Plättchens derart abgelenkt wird, daß wird der Ausleger 20 abgesenkt und preßt die Kissen
alle Stege in der Nachbarschaft des Plättchens gleich- am Plättchen 21 gegen die entsprechenden Stege auf
zeitig in den Schmelzzustand gelangen. dem Träger 23; sodann wird das Plättchen — wie
Durch diese Führung des Elektronenstrahls ergibt oben unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 besieh lediglich eine sehr geringe Erwärmung des 50 schrieben — mit den Stegen verschweißt.
Schaltungsplättchens, die zu keiner Beeinflussung der Sobald der Schweißvorgang vollendet ist, läßt der Eigenschaften des Schaltungsplättchens führt. Ausleger 20 das Plättchen los und gestattet, daß das
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfin- Plättchen zusammen mit dem Träger wegzunehmen
dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Un- ist. Sodann wird ein weiteres Plättchen im Ausleger
teransprüchen. 55 angeordnet, und der Träger wird in eine neue vorbe-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in stimmte Stellung bewegt, um ein weiteres Plättchen
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen auf die gleiche Weise am Träger anzuschweißen. Der
noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Ausleger kann derart ausgebildet sein, daß er gleich-
Fig. 1 einen Schnitt eines Teils eines Plättchens zeitig mehr als ein Plättchen hält, so daß mit einem
und eines.Trägers in der zum Schweißen dienenden 60 Schweißvorgang mehrere Plättchen am Träger an-
Stellung, schweißbar sind.
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Teil des Platt- Das Verfahren wird in einem Vakuum oder unter
chens, einer inerten Atmosphäre ausgeführt; es sei jedoch
F i g. 3 einen Teilschnitt eines Teils einer Schweiß- bemerkt, daß die den Elektronenstrahl erzeugende
maschine zur Durchführung des Schweißvorgangs. 65 Elektronenkanone selbst nicht im Vakuum oder in
In F i g. 1 und 2 ist ein integriertes Silizium-Schal- der inerten Atmosphäre sein muß. Die Elektronenka-
tungsplättchen 10 von ungefähr 100 Mikron Dicke none kann statt dessen derart angeordnet sein, daß
gezeigt, in dessen oberer Oberfläche ungefähr 50 Mi- sie den Elektronenstrahl durch Durchlässe oder
transparente Fenster in das evakuierte oder inerte Gebiet wirft.
Das einfachste Schweißverfahren besteht darin, einen breiten oder nicht fokussierten Elektronenstrahl zu verwenden, dessen Energieinhalt über die ganze Fläche des Plättchens hinweg im wesentlichen gleichförmig ist. Ein geeignetes Beschleunigungspotential für den Strahl liegt bei 150 kV. Diese Anordnung hat jedoch die Neigung, das Plättchen zu beschädigen, so daß ein besonderes Verfahren darin besteht, einen nicht fokussierten Strahl zu verwenden und während des Schweißens oberhalb des Plättchens eine Maske anzuordnen, in der entsprechend den Stegen öffnungen ausgebildet sind und die die übrigen Teile des Plättchens (d, h. jene Teile, die nicht oberhalb der Stege liegen) vor Schädigungen bewahren.
Die Schwierigkeit bei der Verwendung eines nicht fokussierten Strahls besteht darin, daß die Gesamtenergie des Strahls extrem hoch sein muß, damit man an jedem der Stege eine hinreichend hohe Energie zur Bewirkung des Schweißens erhält. Diese Schwierigkeit kann durch die Verwendung eines fokussierten Strahls überwunden werden, der der Reihe nach jeden Steg abtastet oder darauf gelenkt wird. Für einen derartigen Strahl ist ein Strahlstrom von 2,5 mA geeignet. Das einfachste Verfahren bei der • Verwendung eines derartigen Strahls umfaßt ein Abtasten über alle Stege in einem einzigen Zyklus, wobei die Zykluszeit kurz genug ist, damit alle Stege an ihren oberen Teilen gleichzeitig geschmolzen sind. Dies gewährleistet, daß alle Stege das Plättchen berühren und vermindert jegliche Spannungen, die beim Abkühlen und Erstarren der Stege entstehen. Zu diesem Zweck ist eine Zykluszeit von weniger als 10 Mikro-Sekunden wünschenswert, und eine Strahlbewegung von ungefähr 0,5 cm während dieser Zeit ist erforderlich. Diese Bewegung kann kontinuierlich erfolgen; alternativ kann diese Bewegung diskontinuierlich erfolgen, wobei der Strahl der Reihe nach auf jedem Steg verweilt, wenn das Strahl-Ablenkungssystem in der Lage ist, die notwendigen schnellen Wechsel der Strahlablenkung zu erzeugen. Eine Abänderung dieses Verfahrens verwendet mehrere Abtastzyklen, wobei der Strahl während jedes der Zyklen der Reihe nach auf jeden Steg fällt. Dies macht es möglich, daß man höhere Temperaturen erreicht, wobei noch immer alle Stege gleichzeitig geschmolzen werden.
Ein weiteres Verfahren verwendet ebenfalls einen fokussierten und tastenden Strahl und kann für Plättchen verwendet werden, deren Stege gleichmäßig um ihren Umfang herum angeordnet sind. Bei diesem Verfahren werden die Stege in entgegengesetzte Paare aufgeteilt, und für jedes derartige Stegpaar wird ein getrennter Tastzyklus verwendet, so daß dann beispielsweise für vierzehn Stege eine Gesamtheit von sieben Zyklen zum Vollenden des Schweißens erforderlich ist. Dieses Verfahren ist natürlich etwas langsamer als die vorher genannten Verfahren.
Bei allen Verfahren, die einen abtastenden und fokussierten Strahl verwenden, kann der Strahl natürlich bei seiner Bewegung abgeschaltet und nur dann eingeschaltet sein, wenn er auf die Stege gerichtet ist. Bei jeder der Abtaststrahlverfahren kann auch zum Schutz der Plättchen vor Beschädigung eine Maske verwendet werden.
Das Plättchen ist aus Silizium hergestellt und sollte in den Bereichen, in denen es mit den darunterliegenden Stegen verschweißt werden soll, eine 50 Mikron nicht übersteigende Dicke aufweisen. Wenn demgemäß durch die besonderen Verfahren, mittels welcher die integrierte Schaltung ausgebildet wird, eine größere Dicke als die eben angegebene erforderlich ist, so muß das Plättchen mit Vertiefungen, wie sie in den Fi g. 1 und 2 gezeigt sind, versehen werden. Die aktiven Zonen des Plättchens, d. h. die für Schaltungsfunktionen verwendeten Zonen sollten von den Kontakten entfernt gehalten werden; demgemäß enthält die Zone 10 A in F i g. 2 die aktiven Zonen des Plättchens 10. Der Elektronenstrahl übt eine dreifache Wirkung auf das Plättchen aus. Erstens kann eine Oberflächenbeschädigung an der oberen Oberfläche des Plättchens auftreten. Aus diesem Grunde sind die aktiven Zonen des Plättchens — wie in F i g. 1 gezeigt — an der unteren Oberfläche ausgebildet. Zweitens kann beim Durchlaufen des Elektronenstrahls durch das Plättchen eine Körperschädigung auftreten. Diese Schädigung wird sich hauptsächlich auf die obersten 10 oder 15 Mikron der Dicke des Plättchens beschränken, und da die aktiven Zonen auf der entgegengesetzten Seite des Plättchens in einer Dicke von nicht mehr als 25 Mikron ausgebildet werden können, sollte diese Körperschädigung eine geringe schädliche Wirkung auf die elektrischen Eigenschaften des Plättchens haben. Drittens bewirkt der Elektronenstrahl einen Temperaturanstieg des Plättchens, und dies kann eine geringe Diffusion der die aktiven Zonen des Plättchens bildenden Unreinheiten (Störstellen) zur Folge haben. Durch die Verwendung eines fokussierten Strahls und/oder einer Maske kann jedoch der Temperaturanstieg gering und auf die Bereiche des Plättchens beschränkt gehalten werden, die von den aktiven Zonen verhältnismäßig weit entfernt liegen. Ferner kann die Strahlungsschädigung auch durch Anlassen (Tempern) des Plättchens nach dem Schweißen wesentlich vermindert werden.
Die Strahlungsschädigung kann schließlich auch dadurch auf ein Minimum herabgesetzt werden, daß man einen Schutzüberzug aus einem geeigneten Werkstoff—wie beispielsweise Gold — an der oberen Oberfläche des Plättchens entgegengesetzt zu den aktiven Zonen, wie z. B. an der Fläche 10Λ in Fig. 2, anbringt.
Der Werkstoff für die Stege sollte in bezug auf den Werkstoff für das Plättchen eine hohe Dichte aufweisen, so daß der durch das Plättchen laufende Elektronenstrahl von den oberen Teilen der Stege wirksam absorbiert wird. Die untere praktische Grenze ist ein spezifisches Gewicht (Wichtezahl) von ungefähr 6 oder 7. Der Werkstoff für die Stege sollte ebenfalls einen niedrigen Schmelzpunkt relativ zu dem des Plättchens haben, und ferner ist auch eine niedrige thermische Leitfähigkeit erwünscht, so daß die in den oberen Teilen der Stege absorbierte Energie nicht zu schnell durch Leitung zu dem Träger hinab verteilt wird. Die thermische Leitfähigkeit sollte jedoch auch nicht zu niedrig sein, da die Wärmeleitung vom Plättchen durch die Stege in den Träger eine wichtige Rolle bei der Verteilung vom Plättchen kommenden Wärme spielt, wenn dies in. einer vollständigen Schaltung arbeitet.
Ein für die Stege geeigneter Werkstoff ist ein Gold-Germanium-Eutektikum, welches ungefähr 27 %> Germanium enthält. Dieser Werkstoff hat im festen Zustand zwei Phasen, und die Rate mit der er
schmilzt, hängt demnach von der Korngröße der Goldphase ab. Auf diese Weise ist ein zur Verwendung mit diesem Werkstoff geeignetes Schweißverfahren dasjenige Verfahren, das mehrere Abtastungen des Elektronenstrahls benutzt, wobei die Korngröße bei jeder Abtastung vermindert wird, bis ein vollständiges Schmelzen des Werkstoffs erreicht ist.
Die Höhe der Stege muß hinreichend genau kontrolliert werden, damit sichergestellt ist, daß beim Schweißen alle Stege das Plättchen berühren. Während des Schweißens dehnen sich die Stege beim Erwärmen aus, und eine angemessene Toleranz der Steghöhe beträgt 0,1 Mikron für eine Gesamt-Steghöhe von 50 Mikron.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Befestigung eines integrierten Halbleiterplättchens an mehreren leitenden Stegen auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl von geeigneter Energie mindestens an die Zonen des Plättchens (10) geleitet wird, die über den Stegen (14) liegen, daß die Stege (14) aus einem Werkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Plättchen (10) bestehen und daß der durch das Plättchen (10) ohne es zu schmelzen hindurchtretende Elektronenstrahl in die Stege (14) gelangt und diese in der Nähe des Plättchens (10) schmelzt und auf diese Weise das Plättchen (10) mit den Stegen (14) verschweißt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl der Reihe nach auf die über jedem Steg (14) liegenden Zonen des Plättchens (10) derart abgelenkt wirdi, daß alle Stege (14) in der Nachbarschaft des Plättchens (10) gleichzeitig in den Schmelzzustand gelangen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung in einem einzigen Abtastzyklus durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung in mehreren aufeinanderfolgenden Abtastzyklen durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (14) gleichmäßig um die Kante des Plättchens (10) herum angeordnet sind und daß der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß er entgegengesetzt liegende Paare von Stegen (15) mit dem Plättchen (10) im wesentlichen gleichzeitig verschweißt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl nicht fokussiert ist und eine im wesentlichen gleichmäßige Energieverteilung über die Querschnittsfläche des Strahles in der Nähe des Plättchens (10) aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl derart moduliert ist, daß er dann, wenn er nicht auf eine über einem Steg (14) liegende Zone des Plättcheris (10) gerichtet ist, abgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens eine Maske mit den Stegen (14) entsprechenden Öffnungen über das Plättchen (10) gehalten wird, um zu verhindern, daß der Elektronenstrahl auf irgendwelche anderen Teile des Plättchens, als gerade die über den Stegen (14) liegenden Teile des Plättchens (10) fällt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg-Werkstoff eine wesentlich höhere Dichte als das Plättchen (10) aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Zonen des Plättchens in solchen Teilen angeordnet sind, die nicht die Stege (14) überdekken.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Verkleinerung der Dicke des Plättchens (10) in den über den Stegen (14) liegenden Bereichen zur Schaffung örtlicher Bereiche mit verringerter Dikke des Plättchens.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Anordnung der aktiven Bereiche des Plättchens (10) auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des Plättchens.
13. Verfahren nach Anspruch 10 und 12, gekennzeichnet durch den Schritt der Ausbildung einer für den Elektronenstrahl relativ undurchlässigen Materialschicht auf der dem Substrat oder Träger abgewandten Seite des Plättchens und über einen Bereich, der die aktiven Bereiche des Plättchens überdeckt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ausbildung dünner metallischer Kissen (12) auf den mit den Stegen (14) zusammenwirkenden Bereichen des Plättchens, wobei diese Kissen (12) so angeordnet sind, daß sie elektrische Verbindungen zwischen den Stegen (14) und den aktiven Zonen des Plättchens bilden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ausbildung ebener Leiter auf dem Substrat oder Träger zur Formung der Stege (14) auf der frei liegenden Oberfläche der Leiter.
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