DE2442159A1 - Verfahren zum verbinden von flachseiten miteinander und durch das verfahren hergestellte bauteile - Google Patents

Verfahren zum verbinden von flachseiten miteinander und durch das verfahren hergestellte bauteile

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DE2442159A1
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James Martin Hunt
Alvin John Stoeckert
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RCA Corp
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Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Gi-.-lng. R. König ■ Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte · 4000 Düsseldorf 3O · Cecilienallee ve ■ Telefon 432733
2. September 1974 29 522 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Verfahren zum Verbinden von Flachseiten miteinander und durch das Verfahren hergestellte Bauteile"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Flachseiten miteinander und die hierdurch hergestellten Bauteile. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Befestigung eines Halbleiterchip auf einem Kühlkörper bzw. Wärmeableiter und/oder zur Befestigung des Kühlkörpers auf einem Halter sowie die so hergestellten Bauteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Herstellung von Halbleiter-Bauteilen, beispielsweise bei der Montage von Leistungstransistoren, mit Erfolg einsetzbar.
Bei der Herstellung bestimmter Halbleiter-Bauteile, beispielsweise integrierter Schaltungen und Leistungstransistoren, bei denen eine Schaltung oder eine Bauteilkomponente auf einem Chip aus Halbleitermaterial angeordnet ist, ist es oft erforderlich, den Chip auf einem Kühlkörper zu montieren, um die während des Betriebes auftretende Wärme abzuführen. Beim Auflöten einer . Flachseite des Chip auf einer Flachseite des Kühlkörpers wurde festgestellt, daß oft zwischen den durch Löten zu verbindenden Oberflächen Gasblasen eingeschlossen sinde Diese Gasblasen, Hohlräume führen zu einer
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schlechten thermischen Leitfähigkeit und relativ hohem elektrischen Widerstand zwischen den verlöteten Flächen, was Überhitzung und vorzeitiges Versagen des Bauteils zur Folge hat„ Außerdem neigt ein Teil des anfänglich zwischen den Flachseiten befindlichen Lotes zu einer Zusammenballung im Bereich der äußeren Begrenzung des Chip während des Lötvorgangs. Hierdurch treten bisweilen elektrische Kurzschlüsse zwischen einem Bauelement des Chip und dem Kühlkörper auf, so daß das Bauteil als unbrauchbar ausgeschieden werden muß.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zweier Flachseiten miteinander in einer Weise zu ermöglichen, daß die vorstehend geschilderten Nachteile der bekannten Lötverfahren vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Verbindung zweier Flachseiten miteinander dadurch gelöst, daß in einer der Flachseiten eine Vielzahl von Nuten gebildet wird, worauf zwischen die beiden zu verbindenden Flachseiten ein schmelzbares Verbindungsmaterial eingebracht wird und die beiden Flachseiten dann soweit erhitzt werden, daß das Verbindungsmaterial schmelzflüssig wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Flachseite eines Halbleiterchip auf einer demgegenüber größeren Flachseite eines Kühlkörpers dadurch befestigt, daß eine Vielzahl von eng benachbarten Nuten in den Kühlkörper eingepreßt werden, daß die Flachseite des Chip zunächst mit Nickel und dann mit einem schmelzbaren Verbindungsmaterial beschichtet wird, daß die Flachseiten dann miteinander
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in Kontakt gebracht werden und der Chip und der Kühlkörper soweit erhitzt werden, daß das Verbindungsmaterial schmilzt,. Das auf diese Weise erzeugte Halbleiterbauteil hat verbesserte Wärmeabfuhr- und elektrische Leitungseigenschaften im Vergleich zu bekannten Bauteilen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen teilweise montierten Leistungstransistor, wobei ein auf einem mit Nuten versehenen Halter befestigter Kühlkörper und ein auf dem mit Nuten versehenen Kühlkörper befestigter Siliziumchip gezeigt ist;
Fig. 2 eine Sprengbilddarstellung des Leistungstransistors im Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fi^. 3 eine maßstäblich vergrößerte perspektivische Teilansicht eines zur Bildung von Nuten in ebenen Flächen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Werkzeugs; und
Fig;. 4 eine maßstäblich vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts des in Fig. 1 und 2 gezeigten Kühlkörpers (oder des Haters), wobei die mittels des in Fig. gezeigten Werkzeug gebildeten Nuten dargestellt sind.
Zunächst wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen ein teilweise montierter Leistungstransistor 10 mit einem Halter 12, einem Wärmeabfuhrelement oder Kühlkörper 14 und einem Halbleiterchip 16 dargestellt ist» Der Halter 12 besteht aus einem Blechzuschnitt 18 aus kaltgewalztem Stahl von rhombusähnlicher Form mit einer
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Schicht 20 (Fig. 2) aus Nickel auf den freiliegenden Abschnitten des Bauteils 10. Bei der Herstellung des Bauteils 10 wird die obere Flachseite 22 des Blechzuschnitts 18 des Halters in der nachfolgend beschriebenen Weise mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Nuten 24 (Fig. 2 und 4) versehene Es werden lediglich die Teile des Bauteils 10 beschrieben, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren von Interesse sind.
Der Kühlkörper 14 besteht aus einem relativ dicken Blechzuschnitt 26 aus Kupfer mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Nuten 28 auf einer (oberen) Flachseite 30. Nach der Bildung der Nuten 28 in der Flachseite 30 mit dem nachfolgend noch zu beschreibenden Verfahren kann der Kühlkörper 14 mit einer dünnen Schicht 32 aus Nickel belegt werden. Die Schicht 32 aus Nickel kann durch stromloses Plattieren und nachfolgendes Sintern aufgebracht werden.
Der Halbleiterchip 16 besteht aus einem Plättchen 34, das ein Teil eines Siliziumscheibchens ist. Die (obere) Flachseite 36 des Plättchens 3A- weist eine auf bekannte Weise eindiffundierte Basis— und Emitter-Zone auf, über denen eine Emitterelektrode 38 bzw. eine Basiselektrode 40 niedergeschlagen sind. Auf der unteren Flachseite 44 des Plättchens 40 kann, beispielsweise durch stromloses Plattieren und Sintern eine Schicht 42 aus Nickel aufgebracht sein, und auf dieser Schicht 42 ist eine Schicht 46 aus einem schmelzbaren Verbindungsmaterial, beispielsweise einem Lot (5% Zinn und 95% Blei) niedergeschlagen. Die Lot-Schicht 46 kann durch Tauchen des Plättchens 34 in das geschmolzene Lot auf die Nickel-Schicht 42 aufgebracht werden.
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Die untere Flachseite 50 des Kühlkörpers 14 ist auf der oberen Flachseite 22 des Halters und die untere Flachseite 54 des Chip 16 ist auf der oberen Flachseite 46 des Kühlkörpers unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens befestigt. Zur Verhinderung des Auftretens von Gasblasen oder Hohlräumen zwischen den verbundenen Flachseiten ist Vorsorge getroffen, wodurch verschlechterte Wärmeleitfähigkeit und relativ hoher elektrischer Widerstand zwischen den verbundenen Flachseiten vermieden wird. Zu diesem Zweck wird jeweils die größere der beiden (mittels eines schmelzbaren Verbindungsmaterials) zu verbindenden Flachseiten mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Nuten versehen, die beispielsweise den oben beschriebenen Nuten 24 und 28 entsprechen.
In Figo 4 ist ein Teil des Halters 12 gezeigt, wobei die Nuten 24 in der oberen Flachseite 22 des Blechzuschnitts 18 eingearbeitet dargestellt sind. Die Nuten 24 haben eine Tiefe zwischen 0,025 und 0,075 mm, und die Anzahl der Nuten beträgt zwischen 25 und 100 Nuten auf jeweils 2,54 cm. Die Nuten sind vorzugsweise V-förmig im Querschnitt und haben einen Abstand von etwa 0,25 bis 1 mm voneinander, wobei jede Nut 24 an ihrem Scheitel einen Winkel zwischen 30 und 90°, vorzugsweise 60°, aufweist«
Die Nuten 24 sind vorzugsweise mittels eines in Fig0 3 ausschnittsweise dargestellten Werkzeugs 60 zur Nuterzeugung in die obere Flachseite 22 des Blechzuschnitts 18 eingepreßte Das Nut-Werkzeug 60 ist ein Preßwerkzeug aus gehärtetem Stahl, das eine Vielzahl von im wesentlichen gleichen Abstand besitzenden Vorsprüngen 62 aufweist, die eine den Nuten 24 im Halter 12 komplementäre Form haben. Das Nut-Werkzeug 60 ist so ausgebil- ·
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det, daß es zum Einpressen der Nuten 24 in den Blechzuschnitt 18 aus kaltgewalztem Stahl unter Anwendung hohen Drucks, "beispielsweise in einer Prägepresse, dienen kann. Die Zwischenräume 64 zwischen den Nuten 24 in der oberen Flachseite 52 des Halters 12 sollten im wesentlichen eben sein0 Die Nuten 24 reichen in ihrer Längenerstreckung nicht bis zum Rand des Halters 12, weil eine (nicht gezeigte) Kappe auf den Halter aufgeschweißt wird, um den Chip 16 und den Kühlkörper 14 hermetisch dicht abzuschließen.
Die Nuten, beispielsweise die Nuten 24, können im Rahmen des Erfindungsgedankens auch mit gegenüber der V-förmigen Querschnittsform veränderten Querschnittsformen ausgebildet werden. So können sie beispielsweise U-förmig oder sogar rechteckig ausgebildet werden. Die Nuttiefe sollte jedoch weitgehend im Bereich der für die Nuten beschriebenen Größenordnung liegen.
Das Einpressen oder Einstanzen des Nutmusters in den Halter 12 wird zwar vorzugsweise mit dem oben geschilderten Nutwerkzeug ausgeführt, jedoch können die Nuten 24 auch auf jede andere bekannte Weise eingearbeitet werden. So ist es beispielsweise möglich, die Nuten durch Beschichten der Flachseite 22 mit einer aus Wachs oder einem Fotolack bestehenden Schicht, Einarbeiten von Nuten in die Schicht und anschließendes Einätzen der Nuten 24 mit einem für das Metall des Blechzuschnitts 18 geeigneten Ätzmittel zu bilden0 Die Nuten 24 sollten vorzugsweise auf der größeren der beiden miteinander zu verbindenden Flachseiten angeordnet werden.
Die untere Flachseite 50 des Kühlkörpers 14 ist in der erfindungsgemäßen Weise auf der oberen, mit Nuten ver-
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sehenen Flachseite 52 des Halters befestigt, in-dem ein dünnes Plättchen aus schmelzbarem Verbindungsmaterial, beispielsweise einer Silber-Kupfer-Legierung (72% Silber und 28% Kupfer) mit einer der unteren Flachseite des Kühlkörpers 14 im wesentlichen gleichen Form zwischen den Kühlkörper und den Halter 12 gebracht wird. Die Anordnung wird dann auf eine Temperatur von etwa 8500C erwärmt, bis das Plättchen schmilzt. Die zwischen den einander zugewandten Flachseiten des Kühlkörpers und des Halters 12 entstehenden Gase oder Bläschen werden durch die Nuten 24 bis außerhalb des äußeren Umfangs des Körpers abgeführt, wodurch zwischen den Flachseiten eine im wesentlichen von Unterbrechungen freie Hartlotschicht gebildet wird.
Die untere Flachseite 54 des Chip 16 wird auf der oberen Flachseite 56 des Kühlkörpers dadurch in der erfindungsgemäßen Weise befestigt, daß eine Vielzahl von Nuten in die obere Flachseite 30 des Kupfer-Blechzuschnitts des Kühlkörpers eingearbeitet werden. Die Nuten 28 in der oberen Flachseite 30 des Kupfer-Blechzuschnitts 26 des Kühlkörpers 14 werden mit dem Nut-Werkzeug 60 in der gleichen Weise erzeugt, wie dies in Verbindung mit der Erzeugung der Nuten 24 in der oberen Flachseite 22 des Blechzuschnitts 18 des Halters 12 beschrieben wurde.
Nach der Bildung der Nuten 28 in der Flachseite 30 des Kühlkörpers 14 wird die jetzt auch als "Stamm" (stern) bezeichnete, aus dem Kühlkörper 14 und dem Halter 12 bestehende Montagegruppe mit einer Schicht aus Nickel (Schicht 20 auf dem Halter 12, und Schicht 32 auf dem Kühlkörper 14) versehen, um eine Oxydation der Montagegruppe und das Eindiffundieren von Kupfer in den Chip 16 zu verhindern. Der Chip 16 wird auf dem Kühlkörper
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14 befestigt, indem seine untere Flachseite 54 auf die mit Nuten versehene obere, nickelbeschichtete Flachseite 56 des Kühlkörpers aufgesetzt wird. Die Temperatur der Flachseitai 54 und 56 wird dann erhöht, indem die aus dem Chip 16 und der Montagegruppe bestehende Anordnung in einen Ofen eingebracht und auf etwa 4000C erwärmt wird, bis die Lot-Schicht 46 schmilzt0 Alle während des Erwärmungsvorgangs möglicherweise entstehenden Gasblasen oder Hohlräume werden unter Kapillarwirkung , durch die Nuten in der Flachseite 56 des Kühlkörpers 14 bis außerhalb des Umfangs des Chip 16 abgeführt, wobei das Lot keine Tendenz zur Zusammenballung entlang dieses Umfangs zeigt.
Leistungstransistoren mit in der erfindungsgemäßen Weise auf mit Nuten versehenen Kühlkörpern befestigten Chip führen höhere ströme und haben einen geringeren thermischen Widerstand als Leistungstransistoren, bei denen die Chip auf nicht mit Nuten versehenen Kühlkörpern befestigt sind. Im Rahmen des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, die Nuten in einer Flachseite so auszubilden, daß sie sich aus zwei oder mehr Nutscharen zusammensetzen, wobei die Nuten der einen Schar die Nuten der anderen kreuzen.
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Claims (10)

RCACorporation,30 RockefellerPlaza,New York, N0Y. 10020 (VoSt0A0)Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verbinden einer ersten Flachseite eines ersten Körpers mit einer zweiten Flachseite eines zweiten Körpers, dadurch gekennzeich net , daß in der zweiten Flachseite eine Vielzahl von Nuten gebildet wird, danach zwischen die beiden zu verbindenden Flachseiten ein schmelzbares Verbindungsmaterial eingebracht wird und die beiden zu verbindenden Körper dann soweit erhitzt werden, daß das Verbindungsmaterial schmelzflüssig wird, und daß die Körper schließlich abgekühlt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die größere der beiden Flachseiten als zweite Flachseite verwendet wird, in welche die Nuten eingepreßt werden, wobei der Preßvorgang so durchgeführt wird, daß die Nuten eine Tiefe
zwischen etwa 0,025mm und 0,075 mm haben, und die Zahl der Nuten für jeweils 2,54 cm etwa 25 bis 100 beträgt«,
3« Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet , daß das Aufbringen
des schmelzbaren Verbindungsmaterials zwischen die
zu verbindenden Flachseiten so erfolgt, daß zunächst die erste Flachseite mit einer Schicht aus Nickel und dann einer Schicht aus einem Lot-Material versehen
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Lot ein 5% Sn und
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95% Pb enthaltendes Material verwendet wird, und daß die Erwärmung der Flachseiten dadurch erreicht wird, daß die Körper in einem Ofen bei etwa 4000C solange erwärmt werden, bis das Lot schmilzt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten im Querschnitt im wesentlichen V-förmig mit einem Winkel zwischen etwa 30 und 90 ausgebildet werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Halbleiterchip als erster Körper und ein Kühlkörper als zweiter Körper verwendet werden.
7. Halbleiter-Bauteil mit einem Halbleiterchip, dessen eine Flachseite mittels eines schmelzbaren Verbindungsmaterials mit einer Flachseite eines Kühlkörpers verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in der dem Halbleiterchip (16) zugewandten Flachseite (56) des Kühlkörpers (14) vorgesehenen und über die äußere Begrenzung des Halbleiterchip (16) vortretenden Nuten (28)„
8. Halbleiter-Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten (28) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, jede Nut (28) eine Tiefe zwischen etwa 0,025 und 0,075 mm hat, und daß die Nuten (28) einen Abstand zwischen etwa 0,25 und 1 mm voneinander haben.
9. Halbleiter-Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß
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die Nuten (28) einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt m:
besitzen.
schnitt mit einem Scheitelwinkel zwischen 30° und 90°
10. Halbleiter-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachseite (54) des Halbleiterchip (16) mit einer Schicht (42) aus Nickel versehen ist, daß das schmelzbare Verbindungsmaterial (46) ein Lot ist, und daß der Kühlkörper (14) mit einer Schicht (32) aus Nickel versehen ist0
ο Halbleiter-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß ein aus Metall bestehender Halter (12) mit einer mit einer Vielzahl von Nuten (24) versehenen Flachseite (22) vorgesehen ist, und daß der Kühlkörper (14) eine auf der Flachseite (22) des Halters (12) mittels eines schmelzbaren Verbindungsmaterials befestigte.. untere Flachseite (50) aufweist, wobei die im Halter (12) vorgesehenen Nuten (24) dem Kühlkörper (14) zugewandt sind und über dessen äußere Begrenzung vortreten.
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