DE19546569A1 - Lötverbindungsverfahren und nach diesem Verfahren hergestellte Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

Lötverbindungsverfahren und nach diesem Verfahren hergestellte Leistungshalbleitervorrichtung

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Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lötverbin­ dungsverfahren, bei welchem eine Lötfolie (Soldind-Folie) zwischen die sich gegenüberliegenden zu verbindenden Oberflächen gelegt wird und aufgeheizt wird, um die Ver­ bindung herzustellen, und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Lötverbinden und eine Leistungshalblei­ tervorrichtung, wodurch das Verbinden von großen gegen­ überliegenden Flächen mit hoher Zuverlässigkeit ermög­ licht wird, und bezieht sich auf eine Leistungshalblei­ tervorrichtung, die nach dem Verfahren hergestellt wird, und bezieht sich des weiteren auf eine Vorrichtung, die bei dem Verfahren angewendet wird, welche zur Reinigung der zu verbindenden Oberflächen dient und die nach dem Reinigen darauf einen dünnen Film bildet, mit anderen Worten auf ein umgekehrtes Zerstäuben und Zerstäubervor­ richtung.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Lötverbinden ist in der Industrie weit verbreitet, insbe­ sondere ist das Lötverbinden unverzichtbar bei Herstel­ lungsprozessen von Leistungshalbleitern und LSIs.
Lötverbinden bei Leistungshalbleitern und LSIs wird nor­ malerweise über Wärmeverbindung in reduzierender Wasser­ stoffatmosphäre ohne Flußmittel durchgeführt, um nachtei­ lige Effekte wie Verringerung der Durchbruchsspannung und Korrosion durch das Flußmittel zu vermeiden. Da jedoch die Lötverbindung mit allgemein gebräuchlichem eutekti­ schem Sn-Pb-Lötmittel bei einer Löttemperatur von etwa 230°C hergestellt wird, findet an den Zwischenflächen zwischen Lötbasismaterial und Lötfolie unzureichende Re­ duktion statt, so daß Oxide und Verunreinigungen darauf zurückbleiben können. Darüber hinaus werden organische Materialien oder im Festkörper gelöste Verunreinigungsga­ se im Lot und im Verbindungsbasismaterial bei Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsatmosphäre unzureichend neutralisiert. Durch diese Faktoren werden Fehlstellen wie Löcher und Gaseinschlüsse verursacht, welche in ex­ tremem Maße die Zuverlässigkeit der Verbindung beein­ trächtigen. Insbesondere sind solche Phänomene bei Vor­ richtungen wie Leistungshalbleitern mit großer Verbin­ dungsfläche bedeutsam.
Darüber hinaus offenbart JP-A-2-303676 (1990) ein konven­ tionelles Verbindungsverfahren, bei dem ein Oberflächen­ passivierungsfilm auf wenigstens entweder dem Lotmaterial oder einem Metall, das verbunden werden soll, entfernt wird und durch Ätzen gesäubert wird, um die aktive Ober­ fläche freizulegen, wonach der Lötvorgang stattfindet.
Aber selbst wenn der Oberflächenpassivierungsfilm ent­ fernt ist und durch Ätzen gereinigt ist, findet der Löt­ vorgang statt, während die gereinigte Oberfläche freige­ legt ist, so daß sich auf der freigelegten Oberfläche ein Oxidfilm bildet, wodurch der Einbau durch Verbinden be­ hindert wird. Obgleich die genannte Schrift die Verwen­ dung von Edelgasatmosphäre während des Lötvorgangs offen­ bart, bildet sich jedoch wegen Fehlens reduzierender At­ mosphäre ein Oxidfilm auf den Verbindungsoberflächen, da sich eine geringe Menge Restsauerstoff in der Kammer be­ findet und auch die Benetzbarkeit des Lotes gering bleibt, und die Zuverlässigkeit der Verbindung ist unzu­ reichend.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obenge­ nannten konventionellen Probleme zu lösen und ein Lötver­ bindungsverfahren sowie ein Herstellungsverfahren für lötverbundene Körper und Leistungshalbleiter anzugeben, bei dem Verbindungsfehlstellen reduziert werden und die Verbindungszuverlässigkeit erhöht wird, einen Leistungs­ halbleiter anzugeben, der nach diesem Verfahren herge­ stellt wurde, und außerdem eine Vorrichtung anzugeben, mit der das genannte Verfahren durchgeführt werden kann und die die Reinigung der Oberflächen, die verbunden wer­ den sollen, und die einen dünnen Film darauf aufzubringen erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Lötverbindungsverfahren nach Anspruch 1, einen lötverbun­ denen Körper nach Anspruch 7, ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, einen Leistungshalbleiter nach Anspruch 9 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10. Die weiteren Ansprüche beziehen sich auf spezielle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lö­ sungen.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren, mit dem sich die oben gestellte Aufgabe lösen läßt, ist ein Verfahren zur Lötverbindung, welches folgende Schritte aufweist: Reini­ gung beider Verbindungsoberflächen eines zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, und des anderen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, durch Beschuß mit beschleunigten Teil­ chen, wie z. B. Ionen; Reinigung der Oberfläche einer Löt­ folie durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen, wie z. B. Ionen; Bedecken der gereinigten Verbindungsoberflächen beider zu verbindender Körper mit einem Oxidationsschutz­ film, wie z. B. Silber und Gold; Einklemmen der gereinig­ ten Lötfolie zwischen den Verbindungsflächen, die durch den Oxidationsschutzfilm bedeckt sind, und vollständiges Verbinden der Körper durch Aufheizen der Lötfolie auf ih­ re Schmelztemperatur im Vakuum.
Eine zweite Möglichkeit zur Lösung obiger Aufgabe ist ein Verfahren zum Lötverbinden, welches die Schritte umfaßt: Reinigen beider Verbindungsoberflächen eines zu verbin­ denden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, und des anderen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen wie Ionen; Reinigen der Oberfläche einer Lötfo­ lie durch Beschuß mit beschleunigten Partikeln wie Ionen; Bedecken der gereinigten Verbindungsoberflächen beider Körper, die verbunden werden sollen, mit einem Oxidati­ onsschutzfilm wie Silber und Gold; Einklemmen der gerei­ nigten Lötfolie zwischen den Verbindungsoberflächen, die durch den Oxidationsschutzfilm bedeckt sind, und Aufhei­ zen der Lötfolie auf ihre Schmelztemperatur im Vakuum; und danach Verbinden der Körper unter Einlaß von Inertgas bei Lotschmelzbedingungen und sukzessive Rückkehr zu At­ mosphärendruck.
Eine dritte Möglichkeit zum Erreichen obiger Aufgabe ist durch ein Lötverbindungsverfahren gegeben, welches die Schritte umfaßt: Reinigen beider Verbindungsoberflächen einmal des einen zu verbindenden Körpers, dessen Oberflä­ che aus Nickel besteht, und einmal des anderen zu verbin­ denden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen wie Ionen; Be­ decken der gereinigten Verbindungsoberflächen beider zu verbindender Körper mit einem Oxidationsschutzfilm wie Silber und Gold; und Einklemmen einer Lötfolie zwischen den Verbindungsoberflächen, die durch den Oxidations­ schutzfilm bedeckt sind, und vollständiges Verbinden der Körper durch Aufheizen der Lötfolie bei einer Aufheizge­ schwindigkeit von weniger als 1°C/min bis zu ihrer Schmelztemperatur im Vakuum.
Ein viertes Verfahren, das die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe löst, ist ein Verfahren zum Löt­ verbinden, welches die folgenden Schritte aufweist: Rei­ nigen beider Verbindungsoberflächen einmal des einen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel be­ steht, und einmal des anderen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen wie Ionen; Bedecken der gereinig­ ten Verbindungsoberflächen beider Körper mit einem Oxida­ tionsschutzfilm wie Silber oder Gold; und Einklemmen ei­ ner Lötfolie zwischen den Verbindungsoberflächen, die durch den Oxidationsschutzfilm bedeckt sind, und Aufhei­ zen der Lötfolie mit einer Aufheizgeschwindigkeit von kleiner als 1°C/min bis auf ihre Schmelztemperatur im Vakuum; und danach Verbinden der Körper unter Einlaß von Edelgas unter Schmelzbedingungen und damit sukzessive Rückkehr zu Atmosphärendruck.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer der ersten vier Lösungen der vorliegenden Erfindung die Filmdicke des Oxidschutzfilms größer als 0,05 µm ist.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der ersten fünf Verfahren der vorliegenden Erfin­ dung die Fläche der Lötfolie kleiner als die der Verbin­ dungsoberfläche einer der zu verbindenden Körper gewählt wird.
Als Siebtes bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Lötverbindungskörper, der durch die Verbindung der beiden Verbindungsoberflächen einmal des einen zu verbin­ denden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, und einmal des anderen zu verbindenden Körpers, dessen Ober­ fläche aus Nickel besteht, über das Lot geformt wird, wo­ bei die Verbindung beider Körper in vollem Umfang über das Lot gemäß einem der ersten bis sechsten Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Zum achten bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Herstellungsverfahren eines Leistungshalbleiters, bei welchem eine Kühlkörperplatte, deren Verbindungsoberflä­ che mit einer Nickelbelegung versehen ist, und ein Kera­ miksubstrat, dessen Verbindungsoberfläche mit einer Nickelbelegung versehen ist und auf dessen anderer Oberflä­ che ein Halbleiterelement montiert ist, mit Lot miteinan­ der verbunden werden, wobei die vollständige Bindung so­ wohl der Kühlkörperplatte als auch des Keramiksubstrats über Lot gemäß einem der Verfahren 1 bis 6 der vorliegen­ den Erfindung herbeigeführt wird.
Als Neuntes bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Leistungshalbleiter, der durch Verbindung einer Kühlkörperplatte, deren Verbindungsoberfläche mit einer Nickelbelegung versehen ist, und einem Keramiksubstrat, dessen Verbindungsoberfläche mit einer Nickelbelegung versehen ist und auf dessen anderer Oberfläche ein Halb­ leiterelement mit Lot befestigt ist, hergestellt wird, wobei die vollständige Verbindung sowohl der Kühlkörper­ platte als auch des Keramiksubstrats über das Lot gemäß einem der Verfahren 1 bis 6 der vorliegenden Erfindung herbeigeführt wird.
Als Zehntes richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Reinigen einer Oberfläche, die der Verbindung dienen soll, und zum Aufbringen eines dünnen Films darauf, die einen Inertgasbehälter für reduzierten Druck umfaßt; Vorrichtung für Einlaß von Argongas in den Behälter, um den Druck darin zu kontrollieren; eine Tar­ getelektrode und eine Reverse-Spattering-Elektrode, die gegenüber im Behälter angeordnet ist, und eine bewegliche Abschirmplatte zwischen Targetelektrode und Reverse-Spattering-Elektrode, um das Spattern über die Target­ elektrode und das Reverse-Spattering über die Reverse-Spattering-Elektrode abzuschirmen.
Es ist bekannt, daß Fehlstellen in einer großflächigen Lötverbindung durch unzureichende Entladung von Gasen, die adsorbiert oder im Feststoff im Lot gelöst sind und Bildung von Fehlstellen wie Gaseinschlüsse beim Schmelzen und beim Löten des Lots entstehen. Daher wurde erkannt, daß beim Aufheizen und Verbinden im Vakuum Gase ausrei­ chend entweichen und die Fehlstellen wie Gaseinschlüsse verhindert werden können. Jedoch werden unter Vakuum, d. h. reduziertem Atmosphärendruck, das zu verbindende Ba­ sismaterial und die Lötfolie nicht sehr gut reduziert, und außerdem bleibt ein kleiner Rest Sauerstoff in der Kammer, wodurch bei der Wärmeverbindung die zu verbinden­ den Zwischenflächen stärker oxidiert werden als unter ur­ sprünglichen Bedingungen, wenn sie entgegengenommen wer­ den, und die Verbindung versagt häufig.
Dementsprechend werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberflächen des Basismaterials, das verbunden werden soll, und der Lötfolie durch Ionen wie Argon, Helium und Xenon gereinigt und danach die gereinigte Oberfläche des zu verbindenden Grundmaterials bedeckt mit einem inakti­ ven Metall wie Silber, das als Oxidationsschutz dient, vornehmlich als Oxidationsschutzfilm, und zwar in dersel­ ben Kammer. Dadurch wird der Reinigungszustand des Grund­ materials, das verbunden werden soll, beibehalten und es wird vor Oxidation geschützt, und folglich kann die Ver­ bindung durch Aufheizen im Vakuum ohne Reduzierung statt­ finden. Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfin­ dung die gereinigte Lötfolie zwischen die Grundmateriali­ en geklemmt, deren Oberflächen gereinigt und etwa durch Silber bedeckt wurden, und sie wird im Vakuum bis auf ih­ ren Schmelzpunkt aufgeheizt, wonach ein inertes Gas wie Stickstoff, Argon und Wasserstoff eingelassen wird, um so im wesentlichen auf atmosphärischen Druck zu kommen. Da­ durch werden verbliebene Hohlräume, die teilweise durch aus der Lötfolie entwichenes Gas gebildet wurden, durch die Druckzunahme vom Vakuum auf Atmosphärendruck zer­ stört, was weitere Fehlstellen bei der Verbindung redu­ ziert.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Oberflächen der zu verbindenden Körper und die Lötfo­ lie durch Beschuß mit beschleunigten Partikeln wie Ionen gereinigt, wodurch Oxide und Verunreinigungen der Ober­ fläche beseitigt werden. Ferner werden die gereinigten Oberflächen der zu verbindenden Körper mit einem Oxidati­ onsschutzfilm wie Silber, Gold und Platin bedeckt, wo­ durch Neubildung eines Oxidfilms verhindert wird, ohne daß die Atmosphäre in eine reduzierende Atmosphäre bei den folgenden Prozeßabschnitten geändert werden muß. Die gereinigte Lötfolie wird dann zwischen den Verbindungs­ oberflächen untergebracht, die mit dem Oxidschutzfilm be­ deckt sind, und wird unter vermindertem Druck aufgeheizt, um die zu verbindenden Körper vollständig zu verbinden, wodurch Verunreinigungsgase in der Lötfolie beseitigt werden, die Erzeugung von Hohlräumen und Gaseinschlüssen aufgrund eines Oxidschutzfilms wie Silber ebenso verhin­ dert wie die Benetzbarkeit des Lots verbessert wird und die Zuverlässigkeit der Verbindung außerdem erhöht wird.
Entsprechend der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach Aufheizen des Lots bis auf seine Schmelztemperatur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Verbinden unter Einlaß von Inertgas unter Lotschmelzbedingung und graduelles Rück­ kehren zum atmosphärischen Druck durchgeführt, wodurch während des Ausgasungsprozesses erzeugte Hohlräume zusam­ mengepreßt und zerstört werden, wodurch Fehlstellen bei der Verbindung weiter reduziert werden.
Anders als bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bei der dritten und vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reini­ gungsprozeß der Oberfläche der Lötfolie weggelassen, je­ doch wird die Lötfolie unter reduziertem Atmosphärendruck mit einer Aufheizgeschwindigkeit von weniger als 1°C/min bis auf ihre Schmelztemperatur aufgeheizt, um die zu ver­ bindenden Körper vollständig zu verbinden, so daß die Verunreinigungsgase, die absorbiert wurden oder in der Lötfolie im Festkörper gelöst sind, leicht ausgasen kön­ nen, um dadurch Fehlstellen bei der Verbindung zu redu­ zieren.
Gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist die Filmdicke des Oxidationsschutzfilms größer als 0,05 µm gewählt, wodurch die Benetzbarkeit des Lotes verbessert wird.
Entsprechend der sechsten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung wird die Fläche der Lötfolie kleiner als die Verbindungsfläche des einen zu verbindenden Körpers gewählt, so daß sich das durch Aufheizen geschmolzene Lot über die gesamte zu verbindende Oberfläche verteilt, was sowohl das Entgasen aus dem Lot vereinfacht als auch leicht eine saubere Lötzwischenfläche aufgrund der Bewe­ gung des geschmolzenen Lotes herstellt, so daß dadurch weitere Defekte in der Verbindung reduziert werden.
Gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung wird der lotverbundene Körper vollständig verbunden gemäß einem der Verfahren nach der ersten bis sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wodurch Fehl­ stellen bei der Verbindung der lötverbundenen Körper re­ duziert werden.
Gemäß der achten und neunten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung umfaßt der Leistungshalbleiter einen großflächigen Lötverbindungsabschnitt, jedoch werden Fehlstellen im Verbindungsabschnitt reduziert.
Gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung wird die zu verbindende Oberfläche ohne Schwierig­ keiten gereinigt und ein dünner Film ohne Schwierigkeiten auf der gereinigten Oberfläche aufgebracht.
kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Effekt der Lötauf­ heizgeschwindigkeit auf Fehlstellen in der re­ sultierenden Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 stellt schematisch als Diagramm eine Vorrich­ tung zum Reinigen der zu verbindenden Oberflä­ che und zum Bedecken der gereinigten Oberfläche mit einem dünnen Film gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Silberschichtdicke auf einem Basismaterial, das verbunden werden soll, und Lötbenetzbarkeit da­ von gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur einer Ausführungsform von Insulated-Gate-Bi­ polar-Leistungstransistoren (IGBT) gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 5(a) bis Fig. 5(e) sind Diagramme, in denen die Her­ stellungsschritte für einen Insulated-Gate-Bi­ polar-Leistungstransistor nach Fig. 4 darge­ stellt sind.
Genaue Beschreibung der Ausführungsformen
Im folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorlie­ genden Erfindung in ihren Einzelheiten mit Bezug auf Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Reinigen der Oberfläche, die verbunden werden soll, und zum Bilden eines dünnen Films auf der gereinigten Oberfläche, welche zum Reinigen der Oberflächen der Basismaterialien verwen­ det wird, die verbunden werden sollen, und zur Bedeckung der gereinigten Oberflächen mit einem Oxidationsschutz­ film aus einem inaktiven Metall wie Silber und Gold. In Fig. 2 bezeichnet die Ziffer 1 eine Kammer, Ziffer 2 ei­ nen Auslaß, Ziffer 3 eine Gasdrucksteuerung für die Kam­ mer 1, Ziffer 4 eine Reverse-Spattering-Elektrode, welche zum Reinigen einer Oberfläche eines zu verbindenden Kör­ pers dient, Ziffer 5 eine Grundplatte wie ein zu verbin­ dendes Grundmaterial mit einer Lötfolie, Ziffer 6 eine Reverse-Spattering-Hochfrequenzversorgung, welche die Re­ verse-Spattering-Elektrode 4 mit Hochfrequenzspannung versorgt, während die Kammer 1 auf Masse liegt, Bezugs­ ziffer 7 eine Targetelektrode für das Auftragen eines dünnen Films auf der Basisplatte 5, Ziffer 8 ein Target­ material, das zum Auftragen des dünnen Films wie Silber und Gold dient, Ziffer 9 eine Gleichspannungsversorgung, die die Targetelektrode 7 mit positiver Spannung ver­ sorgt, während die Kammer 1 auf Masse liegt, Ziffer 10 einen Shutter, um ungünstige Effekte zwischen Reinigung und Filmauftragung zu verhindern, der sich im wesentli­ chen in der Mitte zwischen Reverse-Spattering-Elektrode 4 und Spattering-Elektrode 7 befindet. Bei den vorliegenden Ausführungsformen sind Magnete hinter der Spattering-Elektrode 7 angeordnet, so daß die Plasmadichte dort her­ um erhöht wird, so daß bei 10-3-10-4 hPa (Torr) ein dünner Film hoher Güte mit hoher Bildungsgeschwindigkeit erzeugt werden kann.
Die Funktionsweise der obigen Vorrichtung wird im folgen­ den erläutert. Wenn durch Abpumpen über den Auslaß 2 der Druck in der Kammer 1 unter 10-5 hPa (Torr) sinkt, wird Argongas in die Kammer 1 über die Gasdrucksteuerung 3 eingelassen, welche den Druck in der Kammer 1 steuert, und zwar bis etwa auf einen Pegel von 10-3 hPa (Torr) Darauf folgend wird die Reverse-Spattering-Elektrode 4 eingeschaltet und mit der Reverse-Spattering-Hochfre­ quenzversorgung 6 verbunden. Wenn eine Hochfrequenzspan­ nung an die Reverse-Spattering-Elektrode 4 angelegt wird, wird Plasma zwischen der Reverse-Spattering-Elektrode 4 und der geerdeten Kammer 1 gebildet und das Potential der Basisplatte 5 negativ, da sich durch die angelegte Hoch­ frequenzspannung eine Selbstaufladung aufbaut, und wird durch Argongase positiven Potentials abgespattert, so daß die Oberfläche der Basisplatte 5 gereinigt wird. Nach Reinigung während einer bestimmten Zeit wird die Reverse-Spattering-Hochfrequenzversorgung 6 abgeschaltet. Dann wird der sich zwischen der Basisplatte 5 und dem Target­ material 8 befindliche Shutter 10 geöffnet und eine vor­ gegebene positive Gleichspannung an die Spatter-Elektrode 7 angelegt, um das Spattermaterial 8 auf die Basisplatte 5 zu bringen, wodurch ein Oxidationsschutzfilm aus Silber oder Gold auf der Basisplatte 5 gebildet wird, um selbige zu bedecken und ihre Oxidation zu verhindern.
Ein Forschungsergebnis in bezug auf Fehlstellen in der Verbindung, welches mittels obengenannter Vorrichtung er­ zielt wurde, wird erläutert. Die Verbindungsbedingungen sind wie folgt:
Das zu verbindende Basismaterial: 75×75×2 mm Kupfer­ platte, mit Nickel bedeckt,
Lötfolie: Sn 60%-Pb 40% und Lötfoliengröße 53×53×0,4 mm, welches der Hälfte der Oberfläche des zu verbindenden Basismaterials entspricht,
Reinigung des Basismaterials, das verbunden werden soll, und Beschichtung mit einem Silberfilm: Nach Abpumpen der Kammer auf 5×10-7 hPa (Torr), Einlaß von Argongas, dann Reinigung unter Argongasatmosphäre von 3×10-3 hPa (Torr) mit einer Hochfrequenzleistung von 500 W und einer Selbstaufladungsspannung von -500 V, danach Silberfilmbe­ schichtung der gereinigten Oberfläche mit einer Spatter-Leistung von 2 kW, um einen Silberfilm bis auf 2,5 µm zu erzeugen. Nach den obigen Schritten wurde die Wärmever­ bindung in einer anderen Kammer durchgeführt, die als Va­ kuumverbindungsofen dient, indem der Vakuumverbindungs­ ofen auf 5×10-7 hPa (Torr) abgepumpt wurde, danach die Verbindungssektion, wobei die Lötfolie mit einer Aufheiz­ geschwindigkeit von 1-5°C/min auf eine Temperatur von 230°C aufgeheizt wurde und dort für 20 min verblieb. Nachfolgend wurde Stickstoffgas (Argongas und Wasser­ stoffgas können mit im wesentlichen demselben Effekt ver­ wendet werden) in den Vakuumverbindungsofen hineingelas­ sen, um so nach und nach zum Atmosphärendruck zurückzu­ kehren.
Fig. 3 zeigt den Einfluß der Silberbedeckungsdicke, die die Benetzbarkeit des Lotes beeinflußt, was in einem vor­ angehenden Experiment untersucht wurde. Die Lotbenetzbar­ keit, d. h. das Verhältnis aus von Lot benetzter Fläche zu ursprünglich vom Lot bedeckter Fläche, hatte ein Maximum von 3,5 bei der Silberschichtdicke von 0,5 µm, wobei bei Abweichen der Silberschichtdicke von diesem Punkt in dickerer und dünnerer Richtung die Lotbenetzbarkeit absinkt. Dementsprechend wurde bei der vorliegenden Ausführungs­ form die Silberschichtdicke auf 0,5 µm festgelegt.
Fig. 1 zeigt ein experimentelles Ergebnis der Erfinder, bei welchem der Einfluß der Lotaufheizgeschwindigkeit auf Fehlstellen in der resultierenden Verbindung bei Verbin­ dungen untersucht wird, die hergestellt wurden durch Auf­ heizen im Vakuum einer gereinigten Lötfolie und einer nicht gereinigten Lötfolie, die separat zwischen zu ver­ bindenden Basismaterialien, deren Oberfläche gereinigt und mit einem dünnen Silberfilm beschichtet wurde, einge­ klemmt wurden. Mit Bezug auf die Verbindung mit nicht ge­ reinigter Lötfolie betrugen die Fehlstellen in der Ver­ bindung bei einer Lötaufheizgeschwindigkeit von 5°C/min 4% und die Fehlstellen in der Verbindung bei einer Löt­ aufheizgeschwindigkeit von 1°C/min 0,3%. Das heißt je niedriger die Lötaufheizgeschwindigkeit ist, desto gerin­ ger sind die Fehlstellen in der Verbindung. Auf der ande­ ren Seite war bei der Verbindung mit gereinigtem Lot die Fehlstellen in der Verbindung 0,3-0,5% ohne wesentlichen Einfluß der Lotaufheizgeschwindigkeit, und die Fehlstel­ len in der Verbindung waren wesentlich verbessert. Als Grund, warum die Lotaufheizgeschwindigkeit in der vorlie­ genden Ausführungsform keinen wesentlichen Einfluß auf die Fehlstellen in der Verbindung hat, wird angenommen, daß Gase und organische Materialien auf der Lötfolie durch den Reinigungsprozeß vor dem Wärmeverbindungsprozeß ausreichend beseitigt werden.
Auf der anderen Seite wurden mit Bezug auf die Verbindung mit nicht gereinigter Lötfolie die Fehlstellen in der Verbindung in Abhängigkeit von der Abnahme der Lotauf­ heizgeschwindigkeit reduziert, wobei als Grund angenommen wird, daß Gase, die adsorbiert oder sich im Festkörper gelöst in der Lötfolie befinden, leicht entweichen, wenn die Lötaufheizgeschwindigkeit verringert wird.
Um mit der Verbindung gemäß der vorliegenden Ausführungs­ form vergleichen zu können, wird eine Verbindung, die durch Aufheizen der Basismaterialien, die verbunden wer­ den sollen, und einer dazwischengeklemmten Lötfolie, bei­ de ohne vorherige Behandlung in einem Wasserstoffofen ge­ mäß einem konventionellen Verfahren, vorbereitet, wobei die Fehlstellen in der Verbindung, die gemäß dem konven­ tionellen Verfahren hergestellt wurde, im wesentlichen den gleichen Wert von 8% zeigt, selbst wenn die Lotauf­ heizgeschwindigkeit zwischen 1-5°C/min variiert wird, und die Fehlstellen in der Verbindung nicht durch Variie­ ren der Lotaufheizgeschwindigkeit reduziert werden konn­ ten. In dem obigen Experiment, bei dem die Fehlstellen in der Verbindung untersucht wurden, wird eine optimale Sil­ berschutzfilmdicke verwendet, jedoch werden auch für eine Silberschutzfilmdicke von mehr als 0,05 µm praktisch brauchbare Verbindungen hergestellt.
Aus obigen experimentellen Ergebnissen wird geschlossen, daß, wenn entweder die Grundmaterialien, die verbunden werden sollen, gereinigt und durch einen dünnen Film wie Silber auf ihrer gereinigten Oberfläche bedeckt werden, dann eine gereinigte Lötfolie dazwischen eingeklemmt und im Vakuum aufgeheizt wird, um die Verbindung abzuschlie­ ßen, oder die Grundmaterialien, die verbunden werden sol­ len, gereinigt werden und durch einen dünnen Film wie Silber auf ihrer gereinigten Oberfläche bedeckt werden, dann eine nicht gereinigte Lötfolie dazwischengeklemmt und im Vakuum bei einer Geschwindigkeit von weniger als 1°C/min bis auf ihren Schmelzpunkt aufgeheizt wird, um zu entgasen, die Fehlstellen auf etwa 1/25 (8%/0,3%) reduziert werden können. Darüber hinaus werden durch den Einlaß von Stickstoffgas in die Kammer unter Lötschmelz­ bedingungen und Rückkehr nach und nach zu atmosphärischem Druck Hohlräume, die während des Ausgasungsprozesses er­ zeugt werden, zerdrückt und eliminiert.
Ein Anwendungsbeispiel des Lötverbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungs-IGBT, der im folgenden erläutert wird. Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Leistungs-IGBT, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4 bezeichnet Ziffer 11 eine Kühlkörperplatte zum Abstrahlen von Wärme, befestigt an einer Wärmesenke, und die Kühlkörperplatte 11 besteht entweder aus einer Kupferplatte oder einer Molybdänplat­ te, auf deren Oberfläche sich eine Nickelbeschichtung be­ findet. Ziffer 13 ist ein Halbleiterelementabschnitt, welcher auf einem Verdrahtungsmuster angebracht ist, der sich auf einer Keramikplatte 14 aus elektrisch isolieren­ dem Material befindet. Darüber hinaus ist auf der Rück­ seite der Keramikplatte 14 eine Nickelbeschichtung 15 aufgebracht. Ziffer 16 ist ein Verbindungslot und zwi­ schen Lot 16 und den jeweiligen Nickelbeschichtungen sind Silberschichten 17 und 18 dazwischengeschoben.
Fig. 5(a) bis Fig. 5(e) zeigen Prozeßdiagramme zur Her­ stellung des Leistungs-IGBT in Fig. 4. Nach der oben er­ läuterten Reinigung der Verbindungsoberflächen der jewei­ ligen Nickelbeschichtungen 12 und 15 (Fig. 5(a)) werden die gereinigten Oberflächen durch Silberschichten 17 und 18 mit einer Dicke von 0,5 µm in derselben Kammer (Fig. 5(b)) bedeckt. Darüber hinaus werden die beiden Oberflä­ chen der Lötfolie 16 auf die gleiche Art in derselben Kammer gereinigt. Diese behandelte Kühlkörperplatte 11, Keramikplatte 14 und Lötfolie 16 werden aus der Kammer genommen, und die gereinigte Lötfolie 16 wird so einge­ baut, daß sie zwischen den jeweiligen Verbindungsflächen eingeklemmt wird, die durch Silberschichten 17 und 18 (Fig. 5(c)) bedeckt sind. Dieser Aufbau wird in den Vaku­ umheizofen gebracht, mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5°C/min auf eine Temperatur von 230°C aufgeheizt, dort für 20 min gelassen, und dann wird das Aufheizen beendet (Fig. 5(d)). Danach wird Stickstoffgas weiter in den Va­ kuumheizofen unter Lötschmelzbedingungen eingelassen, so daß nach und nach der Druck auf den atmosphärischen Druck steigt (Fig. 5 (e)). Die Fehlstellen in der so erhaltenen Verbindung betrugen weniger als 0,5%. Darüber hinaus wurde die resultierende Verbindung einem thermischen Er­ müdungstest unterzogen, bei welchem elektrischer Strom hindurchgeschickt wurde und starkes Abkühlen wiederholt wurde, wobei sie eine doppelt so lange Lebensdauer wie eine nach einem konventionellen Verbindungsverfahren her­ gestellte aufwies.
Wie sich aus obigem ergibt, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Verbindungsoberflächen mittels beschleunig­ ter Teilchen wie Ionen gereinigt und außerdem die gerei­ nigten Oberflächen mit einem Oxidationsschutzfilm wie Silber und Gold bedeckt, dann wird die Lötfolie zwischen den Verbindungsoberflächen, die durch den dünnen Silber­ film bedeckt sind, eingeklemmt und im Vakuum aufgeheizt, um die Verbindung abzuschließen, wobei Fehlstellen in der Verbindung auf bis zu 1/15 im Vergleich zu solchen nach den konventionellen Verfahren hergestellten reduziert werden konnten. Darüber hinaus wird die Lotlebensdauer des Verbindungsabschnittes, was die thermische Ermüdung betrifft, um etwa das Doppelte verlängert, wodurch die Zuverlässigkeit der Verbindung wesentlich erhöht wird.

Claims (10)

1. Lötverbindungsverfahren, das die Schritte umfaßt:
Reinigen beider Verbindungsoberflächen sowohl des ei­ nen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, als auch des anderen zu verbindenden Körpers, dessen Oberfläche aus Nickel besteht, durch Beschuß mit beschleunigten Teilchen;
Reinigen der Oberfläche einer Lötfolie durch Beschuß mit beschleunigten Partikeln;
Bedecken der gereinigten Verbindungsoberflächen bei­ der zu verbindender Körper mit einem Oxidschutzfilm aus einem inaktiven Metall wie Silber, Gold oder Pla­ tin;
Einklemmen der Lötfolie zwischen den Verbindungsober­ flächen, die durch den Oxidationsschutzfilm bedeckt sind; und
vollständiges Verbinden der zu verbindenden Körper durch Aufheizen der Lötfolie auf ihren Schmelzpunkt bei reduziertem Druck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verbinden der zu verbindenden Körper Inert­ gas langsam eingelassen wird, bis Atmosphärendruck erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Verbindung der zu verbindenden Körper durch Aufheizen einer ungereinigten Lötfolie mit einer Aufheizgeschwindigkeit von weniger als 1°C/min bis auf ihre Schmelztemperatur bei verrin­ gertem Druck erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verbindung der zu verbindenden Körper Inertgas eingelassen wird, bis Atmosphärendruck er­ reicht ist.
5. Lötverbindungsverfahren nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, bei dem die Schichtdicke des Oxidati­ onsschutzfilms größer als 0,05 µm gewählt wird.
6. Lötverbindungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fläche der Lötfolie kleiner als die der Verbindungsoberfläche einer der zu ver­ bindenden Körper ist.
7. Ein Lötverbindungskörper, der durch Verbindung beider Oberflächen mittels Lot entsteht, wobei die Gesamt­ verbindung beider Körper mittels Lot nach einem Ver­ fahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche her­ beigeführt wird.
8. Herstellungsverfahren für einen Leistungshalbleiter, bei welchem eine Kühlkörperplatte (11), deren Verbin­ dungsfläche mit einer Nickelbedeckung (12) versehen ist, und ein Keramiksubstrat (14), dessen Verbin­ dungsfläche mit einer Nickelbelegung (15) versehen ist und auf dessen Rückseite ein Halbleiterelement (13) befestigt ist, mittels Lot miteinander verbunden werden, wobei die vollständige Verbindung sowohl der Kühlkörperplatte (11) als auch des Keramiksubstrats (14) mittels Lot nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 herbeigeführt wird.
9. Leistungshalbleiter, der durch Verbinden einer Kühl­ körperplatte (11), deren Verbindungsoberfläche mit einer Nickelbelegung (12) versehen ist, und eines Ke­ ramiksubstrats (14), dessen Verbindungsoberfläche mit einer Nickelbelegung (15) versehen ist und auf dessen anderer Oberfläche ein Halbleiterelement (13) mittels Lötverbindung befestigt ist, hergestellt ist, wobei die vollständige Verbindung sowohl der Kühlkörper­ platte (11) als auch des Keramiksubstrats (14) mit­ tels Lot nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 6 herbeigeführt wird.
10. Vorrichtung zum Reinigen einer Oberfläche, die zur Verbindung dienen soll, und zum Aufbringen eines dün­ nen Films darauf, die umfaßt:
einen Behälter für inertes Material unter reduziertem Druck;
Vorrichtung für das Einführen eines Inertgases in den besagten Behälter, um darin den Druck zu steuern;
eine Targetelektrode (7) und eine Reverse-Spattering-Elek­ trode (4), die gegenüber in dem besagten Behälter angeordnet ist; und
eine bewegliche Abschirmplatte (10), die zwischen der besagten Targetelektrode (7) und der besagten Reverse-Spattering-Elektrode (4) angeordnet ist, um das Spattering über die besagte Targetelektrode (7) und das Reverse-Spattering über die besagte Reverse-Spattering-Elektrode (4) zu isolieren.
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