DE1591113C3 - - Google Patents

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines fokussierten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl der Reihe nach auf die über jedem Steg (14) liegenden Zonen des integrierten Halbleiterplättchens (10) derart abgelenkt wird, daß alle Stege (14) in der Nachbarschaft des integrierten Halbleiterplättchens (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 integrierten Halbleiterplättchens (10) herum angeordnet sind und daß der Elektronenstrahl derart abgelenkt wird, daß er entgegengesetzt liegende Paare von Stegen (14) mit dem integrierten Halbleiterplättchen (10) im wesentlichen gleichzeitig verschweißt.

6. 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 integrierten Halbleiterplättchens (10) gerichtet ist, abgeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens eine Maske mit den Stegen (14) entsprechenden öffnungen über das integrierte Halbleiterplättchen (10) gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl nicht fokussiert ist und eine im wesentlichen gleichmäßige Energieverteilung über die Querschnittsfläche des Strahls in der Nähe des integrierten Halbleiterplättchens (10) aufweist und daß während des Schweißens eine Maske mit den Stegen (14) entsprechenden öffnungen über das integrierte Halbleiterplättchen (10) gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Zonen (iOA) des integrierten Halbleiterplättchens (10) in solchen Teilen angeordnet sind, die nicht die Stege (14) überdecken.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung der aktiven Bereiche (tOA) des integrierten Halbleiterplättchens (10) auf der dem Träger (13) gegenüberliegenden Seite des integrierten Halbleiterplättchens (10).

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Ausbildung einer für den Elektronenstrahl relativ undurchlässigen Materialschicht auf der dem Träger (13) abgewandten Seite des integrierten Halbleiterplättchens (10) und über einen Bereich, der die aktiven Bereiche (10A) des integrierten Halbleiterplättchens (10) überdeckt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (13) ebene Leiterbahnen (15) angebracht werden, auf deren frei liegender Oberfläche die Stege (14) befestigt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt (USA.-Patentschrift 31 78 804). Bei diesem Verfahren wird eine luftundurchlässige Membran auf der Oberseite eines integrierten Halbleiterplättchens befestigt, um dieses vor äußeren Einflüssen zu schützen, und die Membran wird am Rand des Halbleiterplättchens mit diesem mit Hilfe eines Elektronenstrahls verschweißt. In der Membran sind weiterhin leitende Durchführungen vorgesehen, die an der Unterseite mit Anschlußkontaktflächen versehen sind, die mit Anschlußkontakten des integrierten Halbleiterplättchens verschweißt werden sollen. Diese Verschweißung erfolgt ebenfalls mit Hilfe eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl teilweise die Membran oder die leitenden Durchführungen durch die Membran hindurch durchdringt und eine örtliche Erhitzung der Anschlußkontakte und damit ein Verschweißen hervorruft Bei diesem bekannten Verfahren muß die Eindringtiefe des Elektronenstrahls sehr genau geregelt werden, und weiterhin ist es lediglich möglich, relativ dünne Membranen oder Träger zu verwenden, da bei einem dickeren Träger die Elektronenstrahlenergie sehr hoch sein müßte und eine Gefährdung der Bauteile des integrierten Halbleiterplättchens möglich wäre. Bei im Vergleich zum integrierten Halbleiterplättchen sehr dicken Trägern, wie z. B. aus Keramikmaterial, versagt dieses Verfahren vollständig. Wenn in diesem Falle der Elektronenstrahl durch das integrierte Schaltungsplättchen hindurchgeleitet würde — was das bekannte Verfahren jedoch nicht vorsieht — ergäbe sich zwar eine gewisse Verbesserung, doch auch nur dann, wenn das integrierte

Halbleiterplättchen ausreichend dünn wäre, damit keine zu große Erwärmung beim Hindurchtreten des Elektronenstrahls auftreten könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur mechanischen Befestigung und zum elektrischen Anschluß eines integrierten Halbleiterplättchens der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei verhältnismäßig großer Plättchendicke anwendbar ist und das Eindringen des Elektronenstrahls an die Schweißstelle verbessert

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Elektronenstrahl das integrierte Halbleiterplättchen durchdringt, das auf der von Anschlußkontakten freien Oberfläche Vertiefungen aufweist, die in Strahlrichtung mit den Kontakten fluchten, und daß die Anschlußkontakte auf dem integrierten Halbleiterplättchen als dünne Beläge und die Anschlußkontakte auf dem Träger als erheblich dickere Stege mit einer wesentlich höheren Dichte als das Halbleiterplättchen ausgebildet sind.

Auf diese Weise ist es auch bei verhältnismäßig großer Plättchendicke des integrierten Halbleiterplättchens sowie insbesondere auch bei sehr großer Dicke des Trägers möglich, eine sichere Verschweißung ohne übermäßig hohe Elektronenstrahlenergien und ohne die Gefahr einer übermäßigen Erhitzung des integrierten Halbleiterplättchens zu erzielen. Daher besteht keine Gefahr einer Änderung der elektrischen Eigenschaften des integrierten Halbleiterplättchens bei der Befestigung auf dem Träger.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Führung des Elektronenstrahls nach Patentanspruch 2 ergibt sich lediglich eine sehr geringe Erwärmung des integrierten Halbleiterplättchens, die zu keiner Beeinflussung der Eigenschaften des integrierten Halbleiterplättchens führt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schnitt eines Teils eines Plättchens und eines Trägers in der zum Schweißen dienenden Stellung, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Teil des Plättchens,

F i g. 3 einen Teilschnitt eines Teils einer Schweißmaschine zur Durchführung des Schweißvorgangs.

In F i g. 1 und 2 ist ein integriertes Süizium-Halbleiter-Schaltungsplättchen 10 von ungefähr 100 Mikron Dicke gezeigt, in dessen oberer Oberfläche ungefähr 50 Mikron tiefe Vertiefungen It ausgebildet sind. Beläge 12 von ungefähr 2,5 Mikron Dicke sind an der unteren Oberfläche des Halbleiterplättchens unterhalb der Vertiefungen 11 ausgebildet Die Beläge 12 sind mit den Schaltungsbestandteilen im Plättchen elektrisch verbunden und schaffen Eingangs- und Ausgangsschaltungspfade für diese Schaltungsbestandteile.

Das Halbleiterplättchen 10 ist oberhalb eines keramischen Substrats (Träger) 13 gehalten, an dessen oberer Oberfläche Metallstege 14 von ungefähr 50 Mikron Höhe derart befestigt sind, daß die Stege 14 und die Beläge 12 — wie gezeigt — zusammengepreßt sind. Die Stege 14 sind auf Bahnen 15 ausgebildet, die über die Oberfläche des Trägers verlaufen und die Verbindungen zwischen diesen Stegen und weiteren Stegen bilden, die mit anderen Halbleiterplättchen auf dem gleichen Träger verbunden sind. Die Bahnen schaffen auch Verbindungen für Eingangs- und Ausgangsschaltungen.

Zur Befestigung des Halbleiterplättchens auf dem Träger wird ein Elektronenstrahl für eine vorbestimmte Zeitspanne auf das Halbleiterplättchen gerichtet, wobei der Strahl durch das Halbleiterplättchen läuft und die oberen Teile der darunterliegenden Stege 14 schmelzt, wodurch Schweißverbindungen zwischen den entsprechenden Belägen 12 und Stegen 14 beim Wiedererstarren der Stege gebildet werden. Der Schweißvorgang wird in einem Vakuum oder unter einer inerten Atmosphäre ausgeführt

Die Schweißtechnik ist insbesondere für automatische oder halbautomatische Verfahren geeignet, und im folgenden wird unter Bezugnahme auf F i g. 3 ein derartiges Verfahren beschrieben. Ein Ausleger 20, der ein Halbleiterplättchen 21 hält, ist mit einer Vielzahl von Kanälen 22 oberhalb des Halbleiterplättchens ausgebildet und gestattet damit, daß ein Elektronenstrahl durch die vertieften Teile des Halbleiterplättchens 21 laufen kann. Von einem (nicht gezeigten) Arbeitstisch wird ein mit einer Vielzahl von Stegen 24 ausgebildeter Träger 23 getragen und derart gesteuert, daß er in eine spezifische vorgegebene Stellung unterhalb des Halters 20 bewegt wird. Das Steuersystem zur Einstellung des Trägers entspricht einem normalerweise für X/Y-Schreiber verwendeten Steuersystem.

Sobald der Träger in seine Stellung gebracht ist, wird der Ausleger 20 abgesenkt und preßt die Beläge am Halbleiterplättchen 21 gegen die entsprechenden Stege auf dem Träger 23; sodann wird das Halbleiterplättchen — wie oben unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 beschrieben — mit den Stegen verschweißt.

Sobald der Schweißvorgang vollendet ist, läßt der Ausleger 20 das Halbleiterplättchen los und gestattet, daß das Halbleiterplättchen zusammen mit dem Träger wegzunehmen ist. Sodann wird ein weiteres Halbleiterplättchen im Ausleger angeordnet, und der Träger wird in eine neue vorbestimmte Stellung bewegt, um ein weiteres Halbleiterplättchen auf die gleiche Weise am Träger anzuschweißen. Der Ausleger kann derart ausgebildet sein, daß er gleichzeitig mehr als ein Halbleiterplättchen hält, so daß mit einem Schweißvorgang mehrere Halbleiterplättchen am Träger anschweißbar sind.

Das Verfahren wird im Vakuum oder unter einer inerten Atmosphäre ausgeführt; es sei jedoch bemerkt, daß die den Elektronenstrahl erzeugende Elektronenkanone selbst nicht im Vakuum oder in der inerten Atmosphäre sein muß. Die Elektronenkanone kann statt dessen derart angeordnet sein, daß sie den Elektronenstrahl durch Durchlässe oder transparente Fenster in das evakuierte oder inerte Gebiet wirft

Eine Ausführungsform des Verfahrens verwendet einen nicht fokussierten Strahl und ordnet während des Schweißens oberhalb des Halbleiterplättchens eine Maske an, in der entsprechend den Stegen öffnungen ausgebildet sind und die die übrigen Teile des Halbleiterplättchens (d. h. jede 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 Zyklus, wobei die Zykluszeit kurz genug ist, damit alle Stege an ihren oberen Teilen gleichzeitig geschmolzen sind. Dies gewährleistet, daß alle Stege das Halbleiterplättchen 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 Halbleiterplättchen 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 erforderlieh 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 Halbleiterplättchen vor Beschädigung eine Maske verwendet werden.

Das integrierte Halbleiterplättchen 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 Halbleiterplättchen mit Vertiefungen, wie sie in den F i g. 1 und 2 gezeigt sind, versehen werden. Die aktiven Zonen des Halbleiterplättchens, d. h. die für Schaltungsfunktionen verwendeten Zonen, sollten von den Kontakten entfernt gehalten werden; demgemäß enthält die Zone 1OA in F i g. 2 die aktiven Zonen des Halbleiterplättchens 10. Ein Elektronenstrahl übt eine dreifache Wirkung auf ein mit einer integrierten Schaltung versehenes Halbleiterplättchen aus. Erstens kann eine Oberflächenbeschädigung an der oberen Oberfläche des Halbleiterplättchens auftreten. Aus diesem Grunde sind die aktiven Zonen des Halbleiterplättchens — wie in F i g. 1 gezeigt — an der unteren Oberfläche ausgebildet Zweitens kann beim Durchlaufen des Elektronenstrahls durch das Halbleiterplättchen eine Körperschädigung auftreten. Diese Schädigung wird sich hauptsächlich auf die obersten 10 oder 15 Mikron der Dicke des Halbleiterplättchens beschränken, und da die aktiven Zonen auf der entgegengesetzten Seite des Halbleiterplättchens in einer Dicke von nicht mehr als 25 Mikron ausgebildet werden können, sollte diese Körperschädigung eine geringe schädliche Wirkung auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterplättchens haben. Drittens bewirkt der Elektronenstrahl einen Temperaturanstieg des Halbleiterplättchens, und dies kann eine geringe Diffusion der die aktiven Zonen des Halbleiterplättchens 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 Halbleiterplättchens beschränkt gehalten werden, die von den aktiven Zonen verhältnismäßig weit entfernt liegen. Ferner kann die Strahlungsschädigung auch durch Anlassen (Tempern) des Halbleiterplättchens 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 Halbleiterplättchens entgegengesetzt zu den aktiven Zonen, wie z. B. an der Fläche tOA in Fig. 2, anbringt.

Der Werkstoff für die Stege weist in bezug auf den Werkstoff für das Halbleiterplättchen eine hohe Dichte auf, so daß der durch das Halbleiterplättchen 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 Halbleiterplättchens 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 Halbleiterplättchen durch die Stege in den Träger eine wichtige Rolle bei der Verteilung vom Halbleiterplättchen 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 Halbleiterplättchen 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 (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung eines integrierten Halbleiterplättchens, dessen eine Oberfläche den Rand des Plättchens nicht überragende, mit den aktiven Zonen des Schaltungsplättchens verbundene Anschlußkontakte aufweist, auf einem mit Anschlußkontaktflächen versehenen Träger, wobei die Anschlußkontakte des Schaltungsplättchens mit denen des Trägers zur Deckung gebracht und auf diese gepreßt werden und ihre Verbindung durch Schweißen mittels eines Elektronenstrahls erfolgt, der nur in einem oberhalb der Anschlußkontakte liegenden Bereich durch die halbleitende Unterlage, auf der die einen Anschlußkontakte angebracht sind, hindurchgeleitet wird, und dessen Energie so gewählt ist, daß der Strahl durch die Unterlage hindurchtritt, ohne sie zu schmelzen, und nur die Anschlußkontakte, die der Strahl durchdringt und die einen niedrigeren Schmelzpunkt als ihre Unterlagen aufweisen, geschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl das integrierte Halbleiterplättchen (10) durchdringt, das auf der von Anschlußkontakten freien Oberfläche Vertiefungen (11) aufweist, die in Strahlrichtung mit den Kontakten fluchten, und daß die Anschlußkontakte auf dem integrierten Halbleiterplättchen (10) als dünne Beläge (12) und die Anschlußkontakte auf dem Träger (13) als erheblich dickere Stege (14) mit einer wesentlich höheren Dichte als das Halbleiterplättchen ausgebildet sind