DE2156412C3 - Verfahren zur Herstellung eines Trägers für ein Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für ein Halbleiterbauelement, bei dem ein aus einer thermisch und elektrisch gut leitenden unteren Schicht und einer diese ganz abdeckenden oberen Schicht mit guten Eigenschaften für die elektrische Widerstandsschweißung bestehender Metallrohling in einem Gesenk so verformt wird, daß ein aus der oberen Schicht vorspringender Teil zur Befestigung des Halbleiterelements und eine zurückliegende Umfangsfläche zur Verschweißung mit einer das Halbleiterelement abdeckenden Kappe entsteht.

Es ist bekannt, den vorspringenden Teil und die zurückliegende Umfangsfläche eines Halbleiterträgers mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien zu beschichten, da so besser die Forderung nach einer guten thermischen und elektrischen Ableitung im Bereich der Befestigung des Halbleiterelements einerseits und eines hohen elektrischen Widerstands für die Verschweißung der Schutzkappe auf der zurückliegenden Umfangsfläche andererseits erfüllt werden kann. Fertigungstechnisch bedeutet dies natürlich einen erhöhten Aufwand, so daß in der CH-PS 3 93 544 vorgeschlagen wurde, den vorspringenden Teil und die zurückliegende Umfangsfläche des Trägers mit ein und demselben Material, beispielsweise einer Stahlscheibe, zu beschichten. Trotz der fertigungstechnisch günstigeren Aspekte konnte sich dieser Typ eines Halbleiterträgers jedoch in praxi nicht durchsetzen, da die hierauf montierten Halbleiterelemente wegen der schlechten thermischen Ableitung im Bereich des vorspringenden Teils nur eine sehr geringe Belastbarkeit aufwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers des zuletzt genannten Typs so zu verbessern, daß die thermische und elektrische Leistung der auf den so hergestellten Trägern montierten Halbleiterelemente wesentlich angehoben werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Gesenk verformen in die obere Schicht des Metallrohlings eine den vorspringenden Teil umfassende ringförmige Vertiefung eingedrückt wird, um ein Eindringen von Teilen der oberen Schicht in die Randzone des vorspringenden Teils zu vermeiden.

Nähere Materialuntersuchungen an einem Metallrohling, der nach dem bisher bekannten Verfahren verformt wurde, «-gaben, daß die Oberschicht des Metallrohlings beim Ausformen des vorspringendea Teils in radialer Richtung in diesen eindrang und so den für den elektrischen und thermischen Strom benötigten freien Querschnitt nachteilig verengte. Dies verhindert nun die beim Gesenkverformen in die obere Schicht mit eingedrückte Vertiefung, die den vorspringenden Teil ringförmig umfaßt.

Diese erfindungsgemäße Vertiefung hat zudem auch den Vorteil, daß beim Gesenkverformen die obere Schicht gegen die untere Schicht festgehalten wird, so daß beim Vortreiben des vorspringenden Teils des Trägers die obere Schicht in dem genannten Bereich gedehnt und ausgedünnt wird. Hierdurch verringert sich der negative Effekt des in aller Regel hohen thermischen und elektrischen Widerstands der oberen Schicht.

Im Ergebnis kann daher die thermische und die elektrische Leistung eines Halbleiterelements, das auf einem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Träger montiert ist, entscheidend angehoben werden.

Das Eindrücken der den vorspringenden Teil ringförmig umfassenden Vertiefung beim Gesenkverformen eines Metallrohlings aus zwei einander vollständig abdeckenden, homogenen Metallschichten ist nicht zu verwechseln mit der in der DT-OS 15 14 260 dargestellten Nut, die ebenfalls den vorspringenden Teil des Trägers umläuft. Diese Nut wird nicht beim Gesenkverformen mit eingedrückt, sondern sie ist bereits weitgehend vorgestaltet bei dem Metallrohling vorhanden. Sie soll verhindern, daß ein vor dem Gesenkverformen auf die zurückliegende Umfangsfläche aufgelöteter Schweißring relativ zu der unteren Schicht beim Vortreiben des vorspringenden Teils unverhältnismäßig stark arbeitet, so daß die Lötverbindung zwischen Schweißring und unterer Schicht trotz des Gesenkverformens intakt bleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt weitere wirtschaftliche Einsparungen zu, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Metallrohling aus einem zweischichtigen Metallstreifen ausgestanzt wird.

Zweckmäßig wird dabei als obere Schicht eine 0,3 bis 0,4 mm dicke Kupfernickelschicht und als untere Schicht eine 6 mm dicke Kupferschicht verwendet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt im vergrößerten Maßstab durch einen Metallstreifen aus einem Verbundwerkstoff, aus dem der Träger hergestellt wird,

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Metallrohling, wie er durch Ausstanzen aus dem Metallstreifen gemäß F i g. 1 gewonnen wird,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Senkformen zur Weiterverarbeitung des Metallrohlings >;emäß F i g. 2.

F i g. 4 einen Längsschnitt durch den gemäß F i g. 3 ausgeformten Träger,

F i g. 5 und 5A einen Längsschnitt bzw. eine Draufsicht auf den fertiggestellten Träger,

Fig.6 eine Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, von einem Halbleiter unter Verwendung des Trägers gemäß F i g. 5,

F i g. 7 einen Längsschnitt im vergrößerten Maßstab durch einen Träger, der in konventioneller Weise aus einem Verbundwerkstoff hergestellt worden ist,

F i g. 8 eine Ansicht ähnlich der in F i g. 7 von einem Träger, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist,

F i g. 9 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines fertiggestellten Trägers gemäß der Erfindung,

F i g. 10 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Trägers gemäß der Erfindung, an dem die gleichen Verfahrensschritte vorgenommen worden sind, der jedoch gegenüber dem Träger gemäß F i g. 9 eine andere Formgebung besitzt

In F i g. 1 ist ein Querschnitt durch einen zusammengesetzten Metallstreifen 1 dargestellt. Der Metallstreifen besitzt eine relativ dicke erste oder untere Metallschicht 2, die eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzt. Diese Schicht kann z. B. aus Kupfer. Aluminium oder einer ähnlichen Legierung bestehen. Weiterhin besitzt der Metallstreifen eine relativ dünne zweite oder obere Metallschicht 3, die mit der ersten Metallschicht verbunden ist und einen hohen elektrischen Widerstand besitzt, so daß dieses Metall besonders für die elektrische Widerstandsschweißung geeignet ist. Solche Metalle sind Eisen, eisenhaltige Legierungen. Nickel oder Nickelkupfer.

Aus diesem Metallstreifen 1 werden z. B. vermittels Stanzen eine Anzahl gleicher Metallrohlinge herausgeschnitten. )eder der so erhaltenen Metallrohlinge besitzt in horizontaler Draufsicht eine kreisförmige Formgebung mit einem vorbestimmten Durchmesser. In F i g. 2 ist lediglich einer dieser Metallrohlinge 4 verallgemeinernd dargestellt.

Der Metallrohling 4 wird dann vermittels einer Presse in seine gewünschte Endform gebracht. In F i g. 3 ist eine untere Gesenkform 5 dargestellt, wie sie auf dem Werktisch einer Presse (nicht dargestellt) befestigt wird und eine obere Gesenkform 6, die an dem Stempel der Presse (nicht dargestellt) befestigt ist Die untere Gesenkform 5 weist eine mittig angeordnete Vertiefung 5a in ihrer oberen Fläche zur Aufnahme des Metallrohlings 4 auf, und besitzt weiterhin einen länglichen Hohlraum 56, der sich nach unten in vertikaler Richtung von der Mitte der Bodenfläche der Vertiefung 5a erstreckt. Der Hohlraum 56 dient zum Anformen des Zapfens an dem Metallrohling 4, der in einem später folgenden Fertigungsgang mit einem Gewinde versehen wird. Die Vertiefung 5a ist in horizontaler Draufsicht mit einem sechseckigen Querschnitt ausgebildet, der mit der endgültigen Form des Kopfteils des Endproduktes übereinstimmt, wohingegen der Hohlraum Steinen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Die obere Gesenkform 6 weist eine relativ flache Vertiefung 6a zum Ausformen des vorstehenden Teils des Kontaktkopfes auf. Die obere Gesenkform ist weiterhin mit einer ringförmigen Auskehlung 66 versehen, deren Tiefe geringer ist als die der Vertiefung 6a und die zum Anformen eines Ringvorsprungs unmittelbar neben dem äußeren Umfang des Kontaktkopfes vorgesehen ist Die Vertiefung 6a ist in horizontaler Draufsicht mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet Um die Vertiefung 6a ist ein ringförmiger Vorsprung 6a angeordnet, der sich von der Bodenfläche der oberen Gesenkform 6 vertikal nach unten erstreckt

Nachdem der Metallrohling 4 in die Vertiefung 5a in der unteren Gesenkform 5 eingelegt worden ist, wird der Pressenstempel abgesenkt, wodurch der Träger 7, wie in F i g. 4 dargestellt geformt wird. Aus F i g. 4 geht hervor, daß der vorspringende Teil 8 des Trägers aus der ersten oder unteren Metallschicht 2 nach oben aus dem Metallrohling herausgeformt ist Es ist ebenso ersichtlich, daß beim Formvorgang eine ringförmige Vertiefung 8a, die den vorspringenden Teil 8 umgreift, gebildet worden ist

Diese ringförmige Vertiefung 8a hat die Aufgabe, ein gewaltsames Eindringen der zweiten oder oberen Metallschicht 3, die einen hohen thermischen Widerstand besitzt, in den vorspringenden Teil 8 beim Ausformen des Werkstückes zu verhindern. Im einzelnen:

Obgleich von dem nach unten sich erstreckenden ringförmigen Vorsprung 6c an der oberen Gesenkform 6 die ringförmige Vertiefung 8a eingeformt wird (wäre die Gesenkform nicht mit dem Vorsprung 6c versehen, dann würde diese ringförmige Vertiefung 8a nicht gebildet werden), hat ein Teil der gestreckten zweiten oder oberen Metallschicht 3 beim Formvorgang die Tendenz, im unteren Bereich des vorspringenden Teils 8 in horizontaler Richtung nach innen in den angehobenen Teil 8 einzufallen und so die Verteilung der Wärme aus dem geformten Teil 8 zu verhindern. Da jedoch auf Grund des an der oberen Gesenkform 6 angebrachten ringförmigen Vorsprunges 6c beim Ausformen des Metallrohlings 4 und damit beim Strecken der oberen Metallschicht 3 der vorher erwähnte Bereich der gestreckten oberen Metallschicht 3 lediglich entlang dem Querschnitt der ringförmigen Vertiefung 8a (s. F i g. 8) zum Kräuseln und Runzeln neigt, kann die Metallschicht nicht das Abströmen der Wärme aus dem vorspringenden Teil 8 verhindern.

Der in F i g. 4 ersichtliche Ringvorsprung 9 ist vermittels der ringförmigen Auskehlung 66 in der oberen Gesenkform 6 angeformt und dient im folgenden dazu, einen Schweißvorsprung für den Flansch einer Kapsel zu bilden. Der Gewindestutzen 10 ist durch das Einpressen des Materials des Metallrohlings 4 in den Hohlraum 56 in der unteren Gesenkform 5 angeformt und in einem nachfolgenden Arbeitsgang mit einem Gewinde versehen.

Von dem in F i g. 4 dargestellten Träger wird sodann die obere Metallschicht 3 im oberen Bereich des Vorsprungs 8 abgetrennt. Im Ergebnis entsteht der in F i g. 5 gezeigte Körper, dessen obere Fläche des Vorsprungs 8 aus der ersten und unteren Metallschicht besteht und dementsprechend eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzt. Die so bearbeitete obere Fläche des Vorsprungs 8 dient zur Befestigung "ines Halbleiterelements, wohingegen die verbleibende, den erhobenen Vorsprung umgebende Oberfläche mit dem Schweißvorsprung 9 zur Befestigung des Kapselflansches dient. In F i g. 5 ist ebenfalls ein Gewinde 10a erkennbar, das in die äußere Oberfläche des Stutzens 10 durch Gewinderollen eingearbeitet worden ist. Die obere Fläche des fertig geformten Werkstücks ist im

einzelnen aus F i g. 5A ersichtlich.

Ein Halbleiterbauelement 11, der im zusammengebauten Zustand den Träger gemäß F i g. 5 enthält, ist in Fig.6 dargestellt. Das Halbleiterelement 12 selbst ist auf der durch den vorspringenden Teil 8 exponierten Oberfläche der ersten, unteren Metallschicht 2 befestigt und besitzt einen Leitungsdraht 13, der vorher an dem Element angelötet worden ist. Die Kapsel 14 besteht z. B. aus Eisen und besitzt im oberen Kapselbereich eine öffnung, in die ein hülsenähnlicher Endkontakt 15 eingesetzt ist und die vermittels Glas 16 hermetisch abgedichtet ist. Die Kapsel besitzt weiterhin an ihrer unteren Umfangskante einen nach außen in horizontaler Richtung sich erstreckenden Flansch 14a. Wie in F i g. 6 dargestellt, überdeckt die Kapsel 14 die äußere Oberfläche des angehobenen Teils 8 des Trägers 7 derart, daß der Leitungsdraht 13 in die Hülse des Endkontaktes 15 eingreift, wobei der untere Flansch 14a auf dem Schweißvorsprung 9 aufliegt. Anschließend wird die Hülse des Endkontaktes 15 in radialer Richtung nach innen zusammengedrückt, um so den Leitungsdraht 13 mit dem Endkontakt 15 fest zu verbinden. Sodann wird der Flansch 14a unter gleichzeitigem Andrücken mit der übrigen Fläche des Grundbausteins verschweißt, wodurch das Halbleiterbauelement fertiggestellt ist.

In F i g. 9 ist ein Träger T dargestellt, der im wesentlichen dem vorstehend beschriebenen und in F i g. 4 gezeigten Träger 7 gleicht. Der in F i g. 9 dargestellte Träger läßt erkennen, daß nach dem Ausformen des Metallrohlings die obere Metallschicht im Bereich des angehobenen Teils 8' gestreckt ist. Es soll hervorgehoben werden, daß dementsprechend, wenn die zweite oder obere Metallschicht des Metallrohlings ein hohes Dehnungsvermögen besitzt, die Dicke der zweiten oder oberen Metallschicht an der Stelle, an der ein Halbleiterelement befestigt werden soll, ausreichend gering ist, um die Wärme von dem Halbleiterelement in befriedigender Weise durch die dünne, gestreckte obere Metallschicht hindurch zu der ersten oder unteren Metallschicht 2' abzuleiten. Dadurch ist es möglich, den Träger in F i g. 9 durch Einrollen des Gewindes in den Stutzen fertigzustellen und den weiteren Arbeitsvor-

s gang, nämlich das Abschneiden des oberen Teils des angehobenen Vorsprungs, auszulassen.

In einem Ausführungsbeispiel besteht der zusammengesetzte Metallrohling aus einer Kupfernickelschicht mit einer Dicke von etwa 03 bis 0,4 mm und

ίο einer Kupferschicht mit einer Dicke von 6 mm. Dieser Metallrohling wird vermittels Gesenkformen, die denen in F i g. 3 entsprechen, ausgeformt Der sich daraus ergebende Träger besitzt im Bereich des vorspringenden Teils eine Kupfernickelschicht mit einer Dicke von 0,15 bis 0,25 mm. Dieser Träger wurde zur Herstellung eines Halbleiterbauelements verwandt Es stellte sich heraus, daß die Belastungsgrenze eines so hergestellten Halbleiterbauelements nur geringfügig kleiner ist als die eines Halbleiterbauelements, wie er der Darstellung in F i g. 6 entspricht.

F i g. 10 zeigt einen Träger, del· im wesentlichen mit dem in F i g. 9 gezeigten identisch ist Abweichend ist lediglich der Stutzen 10' (vgl. F i g. 9) fortgelassen. Bei dem Träger gemäß Fig. 10 wird das Ende eines Leitungsdrahtes (nicht gezeigt) durch Punktschweißung an der unteren Oberfläche befestigt Obgleich nicht weiter dargestellt, sind andere Befestigungsarten des Grundbausteins gemäß Fig. 10 möglich. Zum Beispiel kann dieser mit einem Lochflansch versehen sein und vermittels Schrauben auf der Montageplatte eines Wärmeabstrahlers (nicht dargestellt) befestigt werden.

Es kann auch z. B. vorgesehen sein, daß der hermetisch abgedichtete Endkontakt nicht durch die Abdekkungskapsel, sondern durch den Grundbaustein selbst hindurchgeführt wird. Ebenso ist es möglich, bei dem in Fig. 10 dargestellten Träger die obere Metallschicht im Bereich des angehobenen Vorsprungs zu entfernen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Trägers für ein Halbleiterbauelement, bei dem ein aus einer thermisch und elektrisch gut leitenden unteren Schicht und einer diese ganz abdeckenden oberen Schicht mit guten Eigenschaften für die elektrische Widerstandsschweißung bestehender Metallrohling in einem Gesenk so verformt wird, daß ein aus der oberen Schicht vorspringender Teil zur Befestigung des Halbleiterelements und eine zurückliegende Umfangsfläche zur Verschweißung mit einer das Halbleiterelement abdeckenden Kappe entsteht dadurch gekennzeichnet, daß beim Gesenkverformen in die obere Schicht (3) des Metallrohlings (4) eine den vorspringenden Tei! (8) umfassende ringförmige Vertiefung (8a) eingedrückt wird, um ein Eindringen von Teilen der oberen Schicht (3) in die Randzone des vorspringenden Teils (8) zu vermeiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gesenkverformen des Metallrohlings (4) die obere Schicht (3) im Bereich des vorspringenden Teils (8) gestreckt und damit in der Schichtdicke verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallrohling (4) aus einem zweischichtigen Metallstreifen ausgestanzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallrohling (4) verwendet wird, bei dem die obere Schicht (3) aus einer 0,3 bis 0,4 mm dicken Kupfernickelschicht (2) und die untere Schicht aus einer 6 mm dicken Kupferschicht besteht.