DE1947799A1 - Verfahren zum Anbringen einer Elektrode an einem Halbleiterelement und danach hergestelltes Halbleiterelement - Google Patents
Verfahren zum Anbringen einer Elektrode an einem Halbleiterelement und danach hergestelltes HalbleiterelementInfo
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Description
Verfahren zum Anbringen einer Elektrode an einem Halbleiterelement
und danach hergestelltes Halbleiterelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen einer
Elektrode an einem Halbleiterelement, insbesondere aus Oxydkeramik,
durch Auftragen eines Silber enthaltenden Kontaktmaterials und anschließendes Einbrennen, sowie auch ein danach hergestelltes
Halbleiterelement«,
Es ist bekannt, Halbleiterelemente mit Silberelektroden zu versehen.
Zu diesem Zweck wird auf eine Kontaktfläche des Elements Silber, z.B. in Pastenform (kolloidales Silber in einer Suspension
aus einem organischen Träger), aufgetragen und dann eingebrannt. Statt reinen Silbers kann auch eine Silber abgebende Verbindung
aufgetragen werden.
Dieses Verfahren läßt sich jedoch bei zahlreichen Halbleiterelementen,
insbesondere solchen aus Oxydkeramik, nicht anwenden.
In dieses Gebiet gehören aber gerade technisch sehr interessante Halbleiterelemente, z.B. PTC-Widerstände. Ein bekannter Vertreter dieser Halbleiterelemente ist Bariumtitanat (BaTiO3). Bei
einem solchen Material entsteht beim Einbrennen an der Kontaktfläche
eine störende Zwischenschicht, die einerseits einen hohen Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Halbleitermaterial
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ORIGINAL INSPECTED
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hervorruft und deren Widerstand andererseits häufig noch stromrichtungsabhängig
ist. Insbesondere bei hochbelastbaren PTC-Widerständen, z. B. für Motoren und dgl., bei denen eine Leistung
von mehreren Watt, z. B. 25 W, umgesetzt wird, muß ein
solcher Übergangswiderstand unbedingt vermieden werden, da sich anderenfalls die Erwärmung auf diese Übergangszone konzentrieren
und eine unzulässige Temperaturerhöhung hervorrufen würde.
Es hat sich gezeigt, daß die hochohmige Übergangszone auf eine
Oxydations-Sperrschicht zurückzuführen ist, die beim Aufbrennen des Silbers entsteht. Das einzige bekannte brauchbare Verfahren
zur Beseitigung dieser Sperrschicht besteht darin, daß auf die aufgebrannte Elektrode eine Zink- oder Zinnschicht aufgebracht
und einer solchen Erwärmung ausgesetzt wird, daß Zink oder Zinn durch die Elektrode hindurch diffundiert und das Oxydmaterial in.
der Sperrschicht so weit reduziert, daß die störenden Eigenschaften der Sperrschicht ganz oder teilweise beseitigt werden. Nachteilig
ist hierbei jedoch, daß an das Einbrennen noch ein Diffusions-Arbeitsschritt
und eine Nachbehandlung bei erhöhter Temperatur anschließen muß. Der verbleibende Übergangswiderstand
ist für viele Fälle zu hoch und steigt mit der Zeit irreversibel bis zu 40 % anο
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr viel einfacheren
Weg anzugeben, um ein Halbleiterelement mit aufgebrannter Elektrode mit besserem Übergangsverhalten bzw. ohne .
störende Sperrschicht herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem aufzutragenden
Zontaktmaterial ein leicht oxydierbares Metall und ein Aktivator, der oberhalb einer -rorgegebenen Reaktionstemperatur
das Oxyd dieses Metalls reduziert, beigemischt wird und
daß das Einbrennen bei einer Temperatur oberhalb der Reaktionsrtemperatur erfolgt. ' :
Bei diesem Yerfahren wird die Bildung der Sperrschicht während
des Aufbrennvorgangs unterdrückt. Ein naphträgliches Eindiffundieren
eines Metalls zum Beseitigen der Sperrschicht kann entfallen.
Das leicht oxydierbare Metall sorgt dafür, daß keine
..;,;,,;.--.;. . ; ν .^Α'ΠΟ 1 Q 9 8 1 47 1 0 7 0 QRiQiHAL INSPECTED
Oxydationssperrschicht entsteht bzw. daß alle sich dort bildenden störenden Oxyde sofort in das nicht störende Oxyd des betreffenden Metalls umgewandelt werden. Hierbei ist allerdings
zu berücksichtigen, daß sich ein leicht oxydierbares Metall schon im Normalzustand, also unter dem Einfluß der Luft, mit
einer Oxydhaut überzieht. Das Metall wäre daher nur bedingt für die gewünschte Reduktion wirksam. Dieses Hindernis wird aber
durch die Verwendung des Aktivators überwunden. Der Aktivator
wird erst beim Einbrennen, wenn nämlich seine Reaktionstemperatur überschritten ist, wirksam. Er beseitigt die Oxydhülle
des Metalls durch Reduktion, so daß dieses im Bereich der Übergangszone seine volle Wirkung entfalten kannö Es ergibt sich
ein sehr geringer Übergangswiderstand, der auch später, wenn das Halbleiterelement den Betriebsbedingungen ausgesetzt wird,
keine wesentlichen Änderungen erfährt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Aktivator Titanhydrid
(TiHp) verwendet wird und die Einbrenntemperatur über dessen Zersetzungstemperatur liegt. Wenn sich Titanhydrid bei etwa
4500C zersetzt, wird die Oxydhaut des leicht oxydierbaren
Metalls durch den frei werdenden Wasserstoff reduziert. In der Elektrodenschicht verbleibt dann das unschädliche Titan, während
Wasserstoff bzw« Wasser als Gase austreten können. Auch liegt
die Zersetzungstemperatur unterhalb eines Wertes, der beim Einbrennen
angewendet werden kann. Ein weiterer brauchbarer Aktivator ist Zirkonhydrid.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein leicht oxydierbares
Metall verwendet, dessen Schmelzpunkt unter der Einbrenntemperatur
liegt. Wenn das Metall beim Einbrennen schmilzt, durchbricht flüssiges Metall die Öxydhaut und steht zur Reduktion
an der Übergangszone zur Verfügung. Auf diese Weise kann eine geringere Aktivatormenge ausreichen. Das Metall hat eine
höhere Reduktionsaktivität während des Einbrennens und führt daher
zu sehr homogenen Kontaktübergängen. Wenn die Schmelztemperatur des Metalls unter der Reaktionstemperatur des Aktivators
liegt, beginnt die Reduktion auch schon bei einer relativ geringen Temperatur.
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Ein für die Praxis hervorragend geeignetes, leicht oxydierbares Metall ist Zink mit einem Schmelzpunkt von 4200C. Andere brauchbare
Metalle sind Blei (3270C), Zinn (2320C) oder Indium (1560C)
oder aber Metallegierungen,die bei niedriger Temperatur schmelzen,
zeB. 25% Indium + 75% Blei (227-2640C)0
Ein anderes, gut brauchbares, leicht oxydierbares Metall ist Aluminium,, Zwar wird beim Einbrennen in der Regel nicht der
Schmelzpunkt dßs Aluminium von 6600C erreicht werden. Es genügt
aber die Reduzierung der Aluminium-Oxydhaut durch den Aktivator,, Aluminium ist preiswert und als unmittelbar brauchbares Pulver
handelsübliche
Zweckmäßigerweise sind die beigemischten Bestandteile nämlich pulverförmig, insbesondere kolloidal. Auf diese Weise ergibt
sich eine sehr gleichmäßige Verteilung und eine große Reaktionsoberfläche. Die pulvefförmigen Bestandteile können mit besonderem
Vorteil einer an sich bekannten Silberpaste beigemischt werden. Da in der Silberpaste kolloidales Silber enthalten ist,
werden die drei genannten Mischungsbestandteile äußerst gleichmäßig
verteilt.
In der Praxis hat es sich als günstig herausgestellt, annähernd
gleiche Volumina des leicht oxydierbaren Metalls und des Aktivators
beizumischen,, Allerdings sollte das Silber volumenmäßig
überwiegen. Beispielsweise können 70 - 85Vo1% Silber, 30-15VoI^
leicht oxydierbares Metall und Aktivator beigemischt werden»
Ein sehr unkritisches Kontaktmaterial, das insbesondere für die Massenfabrikation geeignet ist, besteht aus 80 VoIJHi Silber in
Pastenform, 10 Vol% Zink und 10 Vol% Titanhydrid„
Vorteilhafte Einbrenntemperaturen liegen zwischen 450 und 6000C,
vorzugsweise zwischen 500 und 55O°C. Bei diesen Temperaturen ist
einerseits- die' Zersetzungstemperatur des Titanhydrid überschrit-
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original
ten, andererseits aber noch keine so hohe Temperatur erreicht,
daß unerwünschte andere Reaktionen auftreten. Als Einbrenndauer haben sich 10 - 20 Min. als zweckmäßig erwiesen.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbleiterelement
ist dadurch gekennzeichnet., daß die Elektrode
außer Silber noch Titan und ein leicht oxydierbares Metall
bzw. deren Oxyde enthält. Durch diese Stoffe wird die Leitfähigkeit
des Silbers nicht merklich beeinträchtigt und der ohmsche Charakter des Kontakts nicht gestört. Umgekehrt erhält
aber die Elektrode durch diese Stoffe eine größere Dicke und
Festigkeit.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.. Ein PTC-Widerstandskörper 1 aus Oxydkeramik,
hier aus Bariumtitanat, trägt an beiden Stirnseiten 2 eine
aufgebrannte Elektrode 3, die im wesentlichen aus Silber besteht. An diese Elektrode ist ein Anschlußdraht 4 mittels
Lötung 5 befestigt.
Zur Herstellung der Elektrode wurde eine handelsübliche Silberpaste
(kolloidales Silber in einem organischen Bindemittel) mit Zinkpulver und Titanhydrid-Pulver vermischt. Das Titanhydrid-Pulver
und das Zinkpulver wurden vor dem Beimischen 30 Min. lang bei 1450C getrocknet. Dann wurde dieses Kontaktmaterial
in Form der Elektrode 3 auf die Kontaktfläche 2 aufgebracht und anschließend während 10 Min. bei 5000C eingebrannt.
Bei einem Bariumtitanat-Körper mit einem Massewiderstand von
60 0hm ergab sich nach Anbringen der Elektroden ein fast unveränderter
Gesamtwiderstand, wenn bei gleichen Volumenanteilen von Zink und Titanhydrid das Silbervolumen zwischen
65 und 95 % lag. Bei einer Erhöhung der Einbrenndauer auf
15 Min. erzielte man ähnliche Verhältnisse bei einem Silberanteil von 80 - 90 %.
ORIGINAL INSPSGTED 1098U/107 0
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde statt Zink-Aluminiumpulver
benutzt. Hier ergaben sich, nur geringfügig über dem Ursprungswert liegende Widerstandswerte, wenn bei
gleichem Yolumenanteil von Aluminium und Titanhydrid das
Silber-vcLumen 70 - 85 % betrug.
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Claims (13)
- PATENTANSPRÜCHEerfahren zum Anbringen einer Elektrode an einem Halbleiterement, insbesondere aus Oxydkeramik, durch Auftragen eines Silber enthaltenden Kontaktmaterials und anschließendes Einbrennen, dadurch, gekennzeichnet, daß dem Kontaktmaterial ein leicht oxydierbares Metall und ein Aktivator, der oberhalb einer vorgegebenen Reaktionstemperatur das Oxyd dieses Metalls reduziert, beigemischt wird und daß das Einbrennen bei einer Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur erfolgt.
- 2. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivator Titanhydrid (TiH2) verwendet wird und die Einbrenntemperatur über dessen Zersetzungstemperatur liegt.
- 3β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein leicht oxydierbares Metall verwendet wird, dessen Schmelzpunkt unter der Einbrenntemperatur liegt«,
- 4. .Verfahren nach einem der Ansprüche 1,-3, dadurch gekennzeichnet, daß das leicht oxydierbare Material Zink ist.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das leicht oxydierbare Material Aluminium ist,
- 6«, Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die beigemischten Bestandteile pulverförmig, insbesondere kolloidal, sind.
- 7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Bestandteile einer an sich bekannten Silberpaste beigemischt werden.1098.14/1070 original inspected1947729■ . ,■ ■■;. V "' - 8 -.. ■■■.'■..
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7» dadurch gekennzeichnet, daß annähernd gleiche Volumina des leicht oxydierbaren Metalls und des Aktivators beigemischt werden.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß 70 - 85 Vol.Ji Silber 30 - 15 Vol.Ji leicht oxydierbares Metall und Aktivator beigemischt werden.
- 10. Verfahren nach Anspruch 2, 4, 8, 9» dadurch gekennzeichnet, daß 80 VoI.Ji Silber in Pastenform, 10 Vol. Ji Zink und 10-VoIJi Titanhydrid verwendet werden.
- 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbrenntemperatur zwischen 450 und 600 0C, vorzugsweise zwischen 500 und 55O°C, liegt.
- 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbrenndauer 10 - 20 Min. beträgt.
- 13. Nach dem Verfahren der Ansprüche 1 - 12 hergestelltes Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode äußer Silber noch Titan und ein leicht oxydierbares Metall bzw. deren Oxyde enthält.ORIGINAL VHSPSCTEO1098U/1070
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| JP45082873A JPS509359B1 (de) | 1969-09-20 | 1970-09-21 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19691947799 DE1947799C3 (de) | 1969-09-20 | Verfahren zum sperrschichtfreien Kontaktieren eines aus Oxidkeramik bestehenden Halbleiterbauelementes |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1947799A1 true DE1947799A1 (de) | 1971-04-01 |
| DE1947799B2 DE1947799B2 (de) | 1972-10-26 |
| DE1947799C3 DE1947799C3 (de) | 1978-02-16 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4695818A (en) * | 1985-03-07 | 1987-09-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrical resistor with a negative temperature coefficient for incremental resistance values and method for manufacturing same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4695818A (en) * | 1985-03-07 | 1987-09-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrical resistor with a negative temperature coefficient for incremental resistance values and method for manufacturing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE1947799B2 (de) | 1972-10-26 |
| US3743538A (en) | 1973-07-03 |
| JPS509359B1 (de) | 1975-04-11 |
| GB1305748A (de) | 1973-02-07 |
| NL7012348A (de) | 1971-03-23 |
| DK127143B (da) | 1973-09-24 |
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