DE2518305A1 - Verfahren zum anbringen eines leiterteils an einer halbleitereinrichtung und eine nach diesem verfahren hergestellte halbleitereinrichtung - Google Patents

Verfahren zum anbringen eines leiterteils an einer halbleitereinrichtung und eine nach diesem verfahren hergestellte halbleitereinrichtung

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Description

Verfahren zum Anbringen eines Leiterteils an einer Halbleitereinrichtung und eine nach diesem Verfahren hergestellte Halbleitereinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen eines Leiterteils an einer Halbleitereinrichtung und eine nach diesem Verfahren hergestellte Halbleitereinrichtung, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Anbringen einer thermisch und elektrisch leitenden Leitung an einem wärmebeständigen Metallkontakt einer Halbleitereinrichtung mittels eines bei hoher Temperatur durchgeführten Hartlötverfahrens.
Passivierte Halbleitereinrichtungen weisen im allgemeinen einen Halbleiterkörper, welcher im wesentlichen aus Silizium besteht, eine um den Halbleiterkörper herum angeordnete Schicht aus einem Passivjerungsmaterial, wie Glas oder einem Kunstharz, und zumindest einen metallischen oder Metallkontakt, welcher sich von dem Halbleiterkörper durch die Pas sivierungsschicht hindurch nach außen erstreckt, als Außenkontakt zur Verbindung bzw. zum Anschluß einer zugeordneten
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Schaltung auf. Insbesondere müssen bei derartigen Einrichtungen die metallischen oder Metallkontakte wärmebeständig sein, damit die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halblei terkörpers, der Passivierungsschicht und des Metallkontaktes entsprechend gut aneinander angepaßt sind, um ein Brechen während des Erwärmungszyklusses zu vermeiden. Molybdän, Wolfram, Tantal und verschiedene Speziallegierungen sind die üb liehen, hoch schmelzenden Metalle, welche für derartige wärmebeständige Metallkontakte verwendet werden; da jedoch derar tige Metalle nicht nur teuer und verhältnismäßig schlechte Leiter sowohl für Wärme als auch für elektrischen Strom sind, werden die wärmebeständigen Metallkontakte im allgemeinen mit guten herkömmlichen Leitern (wie Kupfer, SilbevOder verschiedene Speziallegierungen) genau über der Passivierungsschicht verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem wärmebeständigen Kontakt und den anderen Schaltungeelementen mittels herkömmlicher Leiter erfolgt. Bei Halbleiter-Gleichrichtern mit einem axialen Leitungsaufbau wird die Verbindung des herkömmlichen axialen Leiters mit dem wärmebeständigen Metallkontakt durch eine der folgenden zwei Verfahren erreicht.
Bei dem ersten Verfahren wird das wärmebeständige Material vor dem Aufbringen der Passivierungsschicht zuerst mit einem lötbaren Metall, wie Silber, plattiert bzw. überzogen. Nach der Passivierung werden dann die axial verlaufenden Leitungen an die wärmebeständigen Metallkontakte mittels "Weichlot"-Vorformlingen angebracht, deren Schmelzpunkte im allgemeinen unter 3OO C liegen. Einrichtungen mit derartigen Verbindungen bzw. Anschlüssen haben jedoch die Nachteile, welche allgemein Weichlot-Kontakten zugeordnet werden. Wenn nicht eine extreme Temperatursteuerung angewendet wird, um die in axialer Rieh tung verlaufende Leitung mit anderen Schaltungeelementen zu verlöten, dann kann sich die axial verlaufende Leitung durchaus von dem wärmebeständigen Metallkontakt lösen, wenn das Weichlot warm bzw. erhitzt wird. Jedenfalls hat sich herausgestellt, daß derartige Weichlot-Verbindungsstellen thermi sehen Ermüdungserscheinungen ausgesetzt sind, was wiederum
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zu einer kurzen Lebensdauer führt.
Bei dem anderen Verfahren wird der wärmebeständige Metallkontakt mit der axial verlaufenden Leitung mittels eines beson deren Schweißverfahrens verbunden, welches unter der Bezeichnung Stumpfschweißen bekannt ist. Die Verbindungsstelle und die axial verlaufende Leitung müssen danach für alle später erforderlichen chemischen und Warmbehandlungsverfahren freigelegt werden, um (l) den Halbleiterkörper mit dem wärmebe ständigen Metallkontakt zu verbinden, um (2) die Teil- oder Unteranordnung zu ätzen^ und um (3) die Passivierungsglas schicht aufzubringen und aufzuschmelzen. Die entsprechend diesem Verfahren hergestellten Einrichtungen sind zum einen nicht betriebssicher und zuverlässig, da eine richtige Verschwei ßung zwischen wärmebeständigem Metall des Kontaktes und dem herkömmlichen leitenden Metall der axial verlaufenden Leitung nicht möglich ist. Ferner haben die erforderlichen Verfahrensschritte, um die Halbleiterexnrichtung nach der Bildung der Verbindung zwischen dem wärmebeständigen Kontakt und der axial verlaufenden Leitung^häufig eine schwache und poröse Verbin dungsstelle zur Folge, welche mit der Zeit zu einem hohen elektrischen und thermischen Widerstand führt und eventuell sogar mechanisch bricht und ausfällt. Untersuchungen haben gezeigt, daß stumpfgeschweißte Verbindungen sehr hohe Ausfall quoten aufweisen, wenn sie -einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt sind, und zwar steigt die Aus fallquote bei 85 C und bei einer relativen Feuchtigkeit von 85% auf bis zu 50%. *fertigzustellen
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Anbringen einer thermisch und elektrisch leitenden Leitung an einem wärmebeständigen Metallkontakt einer Halbleiterexnrichtung mit Hilfe eines bei hoher Temperatur erfolgenden bzw. durchzufüh renden Hartlötverfahrens zu schaffen. Ferner soll ein derarti ges Verfahren geschaffen werden, bei welchem die vorerwähnten Nachteile von "Weichlot"- undflstumpfgeschweißten" Verbindungen vermieden sind. Darüber hinaus soll ein derartiges Verfahren
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geschaffen werden, bei welchem die sich ergebende Verbindungsstelle eine höhere Festigkeit oder Widerstandsfähigkeit und eine geringere Porosität als eine stumpfgeschweißte Verbin dungsstelle hat, einer höheren Temperatur als eine "Weichlot"-Verbindung widersteht^ und eine höhere Temperatur sowie eine höhere Feuchtigkeit besser aushält als eine stumpfgeschweißte Verbindungsstelle.
Ferner soll gemäß der Erfindung ein derartiges Verfahren geschaffen werden, mit welchem eine herkömmliche Leitung gleichzeitig und bei denselben Temperaturbedingungen, bei welchen der wärmebeständige Kontakt mit dem Halbleiterkörper verbun den wird, mit einem wärmebeständigen Kontakt verbunden werden kann. Ferner soll ein derartiges Verfahren geschaffen werden, bei welchem ein spezieller Vorformling verwendet wird, wel ches einfach und wirtschaftlich durchzuführen ist, das darüber hinaus preiswerter als das Stumpfschweißen ist und bes sere Verbindungen schafft als die, welche mittels den vorerwähnten Weichlot- oder Stumpfschweißverfahren hergestellt worden sind. Darüber hinaus soll noch ein Verfahren geschaffen werden, mit welchem eine Verbindung zwischen einem Halbleiterkörper und einem wärmebeständigen Kontaktteil zur selben Zeit und bei denselben Temperaturen gebildet wird, wie die Verbindung zwischen dem wärmebeständigen Kontakt*™«* einem Leiterteil. Schließlich soll noch eine HalbleiterexKu-iclitung mit einem Leiterteil geschaffen werden, welche nach dem vorbeschriebe nen Verfahren miteinander verbunden sind.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gekennzeichnet durch ein Leiterteil, welches im wesentlichen aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildet ist und an einem Ende in einer Verbindungs- bzw. Anschlußfläche endet, und durch eine Halbleitereinrichtung mit einem Halbleiterkörper und einem Kontaktteil, welches aus einem wärmebeständigen Metall gebildet ist, sich von dem Körper nach außen erstreckt und in einer in einem bestimmten Abstand von dem Körper angeordneten Verbindungs- oder Anschluß-
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fläche endet. Die Verbindungs- oder Anschlußflächen der Teile werden mit einer Hartlotlegierung in Kontakt gebracht, welche etwa ÖO bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis I5 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent Phosphor auf weist. Die Hartlotlegierung wird dann (vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre) mindestens bei ihrem Benetzungspunkt für eine Zeitdauer erhitzt, welche ausreicht, um die Hartlotle gierung zu schmelzen. Danach wire; die geschmolzene Hartlotlegierung abgekühlt und wird fest, wobei sie in Kontakt mit den Verbindungs- oder Anschlußflächen der Teile ist, um dadurch das Kontaktteil und das Leiterteil zu einer Einheit zu verbinden. Schließlich kann noch wahlweise eine Passivierungsschicht aus einem Passivierungsmaterial aufgebracht und um den Körper und das Kontaktteil herum zwischen dessen Verbindungsfläche und dem Körper aufgeschmolzen werden.
Das wärmebeständige Metall ist aus der Gruppe Wolfram, Molybdän, Tantal und deren Legierung ausgewählt, und vorzugsweise wird Molybdän verwendet. Das leitende Metall ist aus der Gruppe Silber, Kupfer und deren Legierungen ausgewählt, wobei vorzugsweise Kupfer verwendet wird. Das Passivierungsmaterial ist aus der Gruppe Glas und Kunstharze ausgewählt, wobei vorzugsweise Glas verwendet wird. Der Halbleiterkörper besteht im wesentlichen aus Silizium. Die Hartlotverbindung weist vorzugsweise etwa 8O Gewichtsprozent Kupfer, wetwa 15 Gewichts prozent Silber und etwa 5 Gewichtsprozent Phosphor auf. Vor zugsweise ist die Hartlotverbindung als ein Vorformling mit Verbindungsflächen versehen, welche im wesentlichen den gleichen Aufbau und die Größe der Verbindungsflächen der Teile aufweisen, so daß sie zu diesen passen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Anbringen eines Leiterteils an einem Halbleiterkörper geschaffen, wobei eine einzige Erwärmung bzw. Erhitzung erfolgt. Bei dem Verfahren ist ein Halbleiterkörper mit einer Verbin dungs- oder Anschlußfläche, ein im wesentlichen aus einem wärmebeständigen Metall gebildetes Kontaktteil mit einer Verbin-
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dungs- oder Anschlußfläche an jedem Ende, ein im wesentlichen aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildetes Leiterteil mit einer Verbindungs- oder Anschlußfläche an einem Ende und ein Hartlot-Vorformling benutzt, welcher aus einer Hartlotlegierung aus 80 bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent Phosphor gebildet ist und eine Verbindungs- oder Anschlußfläche an jedem Ende aufweist. Eine Anordnung aus diesen EIe menten wird durch gleichzeitiges Anliegen j der Verbindungsfläche des Halbleiterkörpers an einer der aus wäxmebeständi gem Material bestehenden Verbindungsflächen des Kontaktteils, der jeweils anderen aus wärmebeständigem Material bestehenden Verbindungsf Ja chen des Metallteils an einer der aus der Hartlotlegierung bestehenden Verbindungsflächen des Vorformlings und jeweils der anderen aus der Hartlotlegierung bestehenden Verbindungsfläche des Vorformlings mit der aus leitendem Metall bestehenden Verbindungsfläche des Leiterteils gebildet
. Die Anordnung wird dann in einer inerten Atmosphäre mindesten» auf den Benetzungspunkt der Legierung erwärmt, was ein Hartverlöten der sich berührenden Verbindungsflächen zur Folge hat. Danach wird die Anordnung abgekühlt, wodurch sich der Halbleiterkörper, der Kontaktteil, der Vorformling und der Leiterteil zu einem einheitlichen Aufbau bzw. einer Ein hext verbinden. Als eine wahlweise End- oder Abschlußbehand lung kann eine Passivierungsschicht aus einem Passivierungstnaterial aufgebracht und um den Halbleiterkörper und den Kontaktteil zwischen den aus wärmebeständigem Metall bestehenden Verbindungsflächen herum aufgeschmolzen werden.
Im allgemeinen ist der Halbleiterkörper im wesentlichen aus Silizium gebildet und weist eine elektrisch leitende Schicht aus Metall auf, welches aus der Gruppe Aluminium und Gold ausgewählt ist, welche auf den Halbleiter aufgebracht werden, um dessen Verbindungs- bzw. Anschlußfläche festzulegen.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform ist gemäß der Er findung eine Halbleitereinrichtung mit einem Leiterteil ge -
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schaffen. Hierbei weist die Einrichtung einen Halbleiterkörper, einen aus einem wärmebeständigen Metall gebildeten Kontaktteil, welcher sich von dem Körper nach außen erstreckt und in einer im Abstand von dem Körper angeordneten Verbin dungs- oder nnschlußfläche endet, einen im wesentlichen aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildeten Leiterteil, welcher an einem Ende in einer Vei'bindungs- oder Anschlußfläche endet, und eine Hartlotlegierung auf, welche dazwischen aufgebracht ist und die Verbindungsflachen der Teile sichert und festhält, um dadurch die Teile zu einem ein hei tuch en Aufbau bzw. einer Einheit zu verbinden. Die Ein richtung kann zusätzlich eine Passivierungsschicht aus einem Passxvierungsmaterial aufweisen, welches um den Körper und den Kontaktteil herum zwischen dessen Verbindungsfläche und dem Körper aufgebracht ist.
Gemäß der Erfindung wird somit ein thermisch und elektrisch leitender Metall-Leiterteil mit dem wärmebeständigen Metallkontaktteil einer Halbleitereinrichtung verbunden, wobei eine Hartlotlegierung aus etwa 80 bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent Silber und etwa k bis 6 Gewichtsprozent Phosphor verwendet ist. Die Kontaktteil-/Halbleiter Verbindung kann in einer inerten Atmosphäre zur selben Zeit und bei derselben Temperatur wie die Kontaktteil-ZLeiterteilverbindung gebildet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus führungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig.l einen Teil einer in Einzelteile aufgelösten Darstel lung einer Halbleiteranordnung mit in axialer Richtung verlaufenden Leiterteilen;
Fig.2 einen Teil der Darstellung der Anordnung der Fig.l; und
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Fig.3 einen Teil der Darstellung der Anordnung der Fig.2 nach der Hartverlötung der Verbindungsstellen und der Aufbringung einer Passivierungsschicht.
In den Zeichnungen und insbesondere in Fig.2 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Halbleitereinrichtung dargestellt, wobei die einzelnen Elemente der Anordnung 10 in Fig.l in Einzelteile aufgelöst dargestellt sind. Der in seiner Gesamtheit mit 12 bezeichnete Halbleiter weist ein Diffusions-Siliziumplättchen oder .-chip; lA und an jedem Ende eine Schicht aus aufgedampftem Aluminium l6 auf, welche eine Verbindungsoder Anschlußfläche für den Halbleiter 12 darstellt. Der Halbleiterkörper 14 besteht im wesentlichen aus Silizium, obwohl ein oder mehrere Teile davon sehr kleine Mengen verschiedener herkömmlicher Dotiermittel, wie beispielsweise Phosphor, Bor u.a. haben können, was jedoch dem auf dem Halbleitergebiet tätigen Fachmann geläufig ist. Zur Verdeutlichung der der Er findung zugrunde liegenden Prinzipien ist der Halbleiter 12 als Gleichrichter dargestellt, mit welchem nur zwei Leitertei Ie verbunden werden können, obwohl selbstverständlich die Prinzipien der Erfindung ebenso gut auch bei irgendwelchen anderen Halbleitern, wie beispielsweise einem η-leitenden, einem p-leitenden oder einer Kombination hieraus sowie bei einem Junction- oder Feldeffekt"sowie bei anderen Halbleitertypen angewendet werden können. Die Prinzipien der Erfindung können auch unabhängig davon angewendet werden, ob die Halbleitereinrichtung eine einzige dünne scheibchenförmige Diode (wie dargestellt) oder einen verhältnismäßig großen Stapel verschiedener Plättchen_oder Chips aufweist, welche in Reihe geschaltet und mittels herkömmlicher Materialien (wie beispielswa.se Aluminium) miteinander hartverlötet sind, wobei dann jedes der verschie denen Plättchen eine Anzahl Leitungen aufweist, welche sich von diesem aus erstrecken. Die Verbindungs- oder Anschlußflächen l6 aus Aluminium können auf dem Siliziumplättchen lk mittels herkömmlicher, auf dem Halbleitergebiet bekannter Techniken aufgebracht werden, wobei bevorzugt eine Aufbringung mit tels Aufdampfung angewendet wird.
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Ein Kontaktteil 20 aus wärmebeständigem Material, das im allgemeinen als "Metallstück" bezeichnet wird, weist an seinen gegenüberliegenden Enden Verbindungs- oder Anschlußflächen 22 und 24 auf. Der Kontaktteil 20 ist aus einem wärmebständigem Material gebildet und vorzugsweds e aus Molybdän, Wolfram, Tantal oder Legierungen hieraus zusammengesetzt. Ob die Legierungen aus zwei oder mehr der vorerwähnten,wärmebeständigen Me talle oder aus einem oder mehreren der wärmebeständigen Me talle zusammen mit anderen Materialien zusammengesetzt sind, die Legierungen müssen natürlich entsprechend ihren bekannten Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden, um sicherzustellen, daß die Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers 12, des Kontaktteils 10 und irgendwelcher Materialien, die zum Passivieren des Halbleiterkörpers 12 verwendet werden, miteinander verträglich sind.
Der in seiner Gesamtheit mit 30 bezeichnete Vorformling aus einer Hartlotlegierung weist einen verhältnismäßig flächigen Aufbau und einander gegenüberliegende Anschluß- oder Verbindungsflächen 32 und 34 an seinen entgegengesetzten Enden auf.DLe Hartlotlegierung weist etwa 80 bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent Phosphor auf und vorzugswei e wird ein im Handel er hältliches 80/15/5-Silberlot oder eine für hohe Temperaturen geeignete Hartlotlegierung verwendet, welche von Englehard Industries Division of Englehard Minerals and Chemicals Corp., (Murray Hill, New Jersey) unter der Handelsbezeichnung bzw. dem Warenzeichen "Silvaloy 15" und von Handy and Harmon, Inc. unter dem Warenzeichen "Silfos" vertrieben wird. Hierbei ist die Hartlotlegierung gekennzeichnet durch einen Erstarrungspunkt von etwa 640 C und einen Benetzungspunkt von etwa 705 C und erfordert während des Hartlötens weder eine Oxidationsnoch eine Reduktionsumgebung.
Ein nagelkopfförmiger, axial verlaufender Leiterteil 40 weist eine Anschluß- oder Verbindungsfläche 42 an der freigelegten Oberfläche des Kopfteils 44 auf, während das hintere oder an-
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dere Ende für den Anschluß an andere Schaltungsteile vorge sehen ist. Der Leiterteil 40 ist aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall, wie beispielsweise Kupfer, Silber oder deren Legierungen gebildet, wobei die Legierungen aus diesen Metallen an sich oder einzeln zusammen mit anderen Metallen im Hinblick darauf ausgewählt werden, daß sie sich gut mit der Hartlotlegierung des Vorformlings 30 hartverlöten lassen· Obwohl vorzugsweise das leitende Metall der Verbindungsfläche k2 im wesentlichen aus dem vorerwähnten Kupfer, Silber oder deren Legierungen gebildet ist, wird häufig ein Kern oder eine Hülle bzw. ein Mantel in Verbindung mit dem Kontaktteil 4o verwendet, um dessen rfirkung als Kühlblech für den Halbleiterkörper 12 zu unterstützen, um die Kosten der in dem Leit-erteil kO verwendeten Materialien zu verringern und /oder um eine elektrische Isolation für den Leiterteil kO zu schaffen.
Der Kontaktteil 20 aus wärmebeständigem Material kann mit dem Halbleiterplättchen 12 verbunden werden, indem die wärmbeständige Verbindungsfläche 22 gegenüber der Verbindungsfläche 16 aus Aluminium angeordnet wird, und sie (l6) in herkömmlicher Weise dann mit den beiden Flächen 12 und 22 hartverlötet wird, um eine hartgelötete Verbindung aus wärmebeständigem Material/ Aluminium/Silizium zu bilden. Das Aluminium und das Silizium bilden ein "Hartkontakt"-Eutektikum mit einem Schmelzpunkt bei etwa 575 C, welches sich sehr gut sowohl mit dem Siliziumplättchen Ik und der Verbindungsfläche 22 aus wärmebeständigem Me tall verbindet. Aufgrund der Beschaffenheit der Aluminium- und Siliziummaterialien ist es wesentlich, daß diese Verbindung mittels Hartverlöten in einer inerten Atmosphäre (d.h. eine Atmosphäre, welche weder eine oxidierende noch eine reduzie rende Atmosphäre ist) gebildet wird und sie beispielsweise in einer gesteuerten Umgebung, bei einem Druck von einer Atmosphäre oder etwas höher, aus trockenem Stickstoff, Argon oder einem ähnlichen inerten Gas durchgeführt wird.
Der Leiterteil kO kann mit dem Kontaktteil 20 dadurch verbun-
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den werden, daß die Verbindungsfläche 42 des Leiterteils 4O und die Verbindungsfläche 24 des Kontaktteils 20 in satte Anlage mit den Verbindungsflächen Jk bzw. 32 des Vorformlings 30 gebracht werden. Um diesen Vorgang zu erleichtern, weisen die verschiedenen Verbindungsflächen 24, 32, 3k und 42 die selbe Größe und Form auf. Der Vorformling 30 wird dann sehr schnell (innerhalb von etwa 15min) mindestens auf den Benetzungspunkt von etwa 705 C erhitzt und wird dann für eine Zeitdauer- auf dieser Temperatur gehalten, welche ausreicht, um die Legierung zu schmelzen (im allgemeinen etwa 5min), und danach wird dann die geschmolzene Legierung des Vorformlings 30 abgekühlt und wird fest, wobei sie in Kontakt mit den Verbindungsflachen 24 und 42 des Kontaktteils und des Leiterteils 40 ist, wodurch sich die Teile 20 und 4o zu einem einheitlichen Aufbau bzw. einer Einheit verbinden. Dieses Hartlöten kann unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, d.h. in einer reduzierenden, inerten oder oxidierenden Umgebung; jedoch muß darauf geachtet werden, daß gewährleistet ist, daß die nichtinerten Gase der Atmosphäre nicht in Berührung mit der Verbindungsfläche l6 aus Aluminium kommen, welche unvermeidlich teilweise bei der Erwärmung des Vorformlings 30 aus der Hartlotlegierung mit erhitzt wird.
Obwohl die zwei Hartverlötungen, nämlich der Kontaktteil 20 mit dem Leiterteil 4o und der Kontaktteil 20 mit dem Halb leiterplättchen 12, wie oben beschrieben ist, getrennt durchgeführt werden können, ist es bei der Erfindung besonders vorteilhaft, daß die beiden Hartverlötungen zur gleichen Zeit und bei derselben Temperatur durchgeführt werden können, so daß auf diese Weise die Herstellungszeit, die Unterbrechung bzw. der Anschluß der teueren Heizeinrichtung und die mögliche Verunreinigung der einzelnen Elemente infolge der übermäßig langen Handhabung herabgesetzt bzw. verringert ist. Bei der in einem Schritt durchgeführten Hartverlötung werden die Elemente zu einer Unteranordnung zusammengesetzt, wie in Fig.2 gezeigt ist, wobei die Verbindungsfläche l6 des Halbleiters 12 aus Aluminium die Verbindungsfläche 22 des Kontaktteils
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20 aus -wärmebeständigem Material, die andere Verbindungsfla ehe 24 des Kontaktteils 20 die Verbindungsfläche 32 des Vor formlinge 30 und die andere Verbindungsfläche 34 des Vorformlings 30 die Verbindungsfläche 42 des Leiterteils 40 berührt. Hierbei wird zweckmäßigerweise eine Spannvorrichtung zum Hartlöten oder eine Aufspannvorrichtung aus Graphit, nichtrostendem Stahl oder einem anderen herkömmlichen Material verwendet, um die Teile der UnteranOrdnung 10 während des Durchgangs durch den Ofen entsprechend ausgerichtet zu halten. Die ganze Unteranordnung 10 wird dann auf ein Förderband gesetzt, wel ches die durch einen Tunnelofen befördert, welcher mit einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise trockenem Stickstoff, bei einem Druck von einer Atmosphäre versehen ist. Die maximale Temperatur in dem Tunnelofen reicht aus, um sowohl den Vorformling 30 aus der Hartlotlegierung zu schmelzen als auch das geschmolzene Äluminium/Silizium-Eutektikum zu formen, und sie liegt vorzugsweise bei 715 bis 7200C. Im allgemeinen reicht eine Verweilzeit von etwa 50 bis 60min in dem Tunnelofen aus, um den Leiterteil 40 mit dem Kontaktteil 20 sowie den Kontaktteil 20 mit dem Halbleiterplättchen 12 hartzuverlöten. Vorzugsweise wird die gesamte Unteranordnung 10 beim Einfahren für eine Zeitdauer von 15min auf mindestens 705 C erhitzt, wobei sich das geschmolzene Aluminium/Silizium-Eutektikum bildet und die Hartlotlegierung schmilzt* die Unteran Ordnung wird dann für etwa 5min dort gehalten und wird, dann über eine Zeitdauer von 30 bis 40min bis unter den Schmelzbzw. Erstarrungspunkt des Eutektikums von 575°C langsam abgekühlt*
Die Anwendung sowohl des ein- als auch des zweistufigen Verfahrens ergibt eine Unteranordnung 10, welche zu einem ein heitlichen Aufbau bzw. einer Einheit mit hartgelöteten Ver bindungen verbunden ist, welche höheren Temperaturen als weichgelötete Verbindungen widerstehen, welche haltbarer und dauerhafter und weniger porös als stumpf geschweißte Verbindungen sind und welche einer wiederholten, zyklischen Erwärmung bei hoher Temperatur und einem hohen Feuchtigkeitsgehalt (wie
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beispielsweise 85 C und einer relativen Feuchtigkeit von 85%) widerstehen, ohne daß ein Ausfall vorkommt oder sich hohe elektrische und thermische Widerstandswerte bilden. Aufgrund der Haltbarkeit, der Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit der auf diese Weise gebildeten, hartgelöteten Verbindungen kann die Unteranordnung 10 weiterverarbeitet werden, ohne daß sich dadurch eine Beschädigung an der Halbleitereinrichtung ergibt.
Nach der ein- oder zweistufigen Hartverlötung wird die freigelegte Oberfläche des Halbleiterkörpers l4 vorzugsweise geätzt (beispielsweise mit einer Lösung aus Salpeter- und Fluorwasserstoffsäure) , um Verunreinigungen zu entfernen» und es wird eine Schicht aus einem Passivierungsmaterial 50 aufge bracht, um eine erneute Verunreinigung zu verhindern» Das Passivierungsmaterial 50 wird über der freigelegten Fläche des Halbleiterkörpers l4 und einem Teil des Kontaktteils 20 zwischen den Verbindungsflächen 22 und 24 aufgebracht, um die Halbleitereinrichtung 12 vollständig zu verkapseln und sie vor irgendeiner Verschmutzung zu schützen.
In Fig.3 ist das Passivierungsmaterial 50 vorzugsweise ein Kunstharz oder Glas, welches in einer Auf schlemmung fein vermählen worden ist, wird dann mit einer herkömmlichen Technik auf die freigelegte Fläche des Halbleiterkörpers l4 aufge bracht und wird schließlich in dieser Lage auf eine Temperatur erhitzt, welche ausreicht, um das Passivierungsmaterial 50 zu schmelzen. Beispielsweise kann ein zweiter Tunnelofen, welcher an dem Förderband in Förderrichtung weiter unten als der vorerwähnte Ofen angeordnet ist, welcher bei dem einstufigen Hartlötverfahren verwendet wird, auf einer Temperatur von etwa 685 C bis etwa 7OO C gehalten werden, um ein auf den Halbleiter 12 aufgebrachtes Passivierungsmittel in Form von Glas zu schmelzen. Sowohl der Vorformling 30 als auch das Eutektikum an den Verbindungsstellen können dann bei den Temperaturen in dem zweiten Tunnelofen wieder fließend bzw. flüssig werden; jedoch reichen die Überflächenspannungen der hart-
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gelöteten Verbindungen, welche in den Hartlötverfahren gebildet sind, aus, um die geschmolzenen Verbindungen aufrechtzu erhalten, bis wieder gekühlt wird, wenn die Anordnung 10 den zweiten Tunnelofen verläßt.
Aufgrund des Passivierungsmaterials 50 zeigen der Halbleiterkörper 40 und der Teil 30 aus wärmebeständigem Material mit einander verträgliche Ausdehnungskoeffizienten, und die pas sivierten Haibleitereinrichtungen gemäß der Erfindung weisen eine vorteilhaft lange Lebensdauer auch bei wiederholter zyklischer Erwärmung auf.
In der Hartlotlegierung stellt das Kupfer (mit einem Schmelzpunkt bei 1 O83 C) die Haupthartlotkomponente dar, während das Silber (mit einem Schmelzpunkt von 960,5 C) und der Phosphor (mit einem Schmelzpunkt bei 44 C) den Benetzurjgspunkt der Legierung auf eine Temperatur absenken, wie sie in Ver bindung mit Halbleitereinrichtungen verwendbar ist; obendrein schafft der Phosphor auch die notwendige Fließwirkung. Die Fähigkeit der Legierung oder Zusammensetzung, daß mit ihr in einer inerten Atmosphäre hartgelötet werden kann, stellt einen wichtigen Faktor dar, welcher das einstufige Verfahren ermöglicht, da irgendwelche Metalle mit hohem Dampfdruck (wie Zink oder Cadmium) fehlen, welche den Halbleiterkörper 14 nachteilig beeinflussen würden. Bei Verwendung der speziellen Hartlotlegierung des Vorformlings 30 kann so mit eine hartgelötete Verbindung zwischen dem Leiterteil 40 und dem Kontaktteil 20 unter Bedingungen gebildet werden, welche auch wirksam sind, um eine hartgelötete Verbindung des Kontaktteils 20 mit dem Halbleiterkörper 14 hervorzurufen, so daß auf diese "vfeise ein einstufiger HaröLötvorgang möglich ist.
Patentansprüche
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Claims (5)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anbringen eines Leiterteils an einer HaIbieitereiirichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildeter Leiterteil CiO), welcher an einem Ende in einerVerbindungs- oderAnschlußfleiche (42) endet, sowie eine Halbleitereinrichtung (12) mit einem Halbleiterkörper (l4) und einem aus einem wärmebeständigen Metall gebildeten Kon taktteil (20) vorgesehen sind, welcher sich von dem Körper nach außen erstreckt und in einer in einem Abstand von dem Körper angeordneten Verbindung- oder Anschlußfläche (24) endet; daß die Verbindung- oder Anschlußflächen der Teile in Anlage mit einer Hartlotlegierung (30) aus etwa 80 bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent Phosphor gebracht wird, daß hierauf die Hartlotlegierung mindestens auf ihren Benetzungspunkt für eine Zeitdauer erhitzt wird, welche ausreicht, um die Hartlotlegierung zu schmelzen, und daß schließlich die geschmolzene Hartlotlegierung abgekühlt und in Anlage mit den Verbindungsflächen der Teile fest wird, wodurch der Kontakt teil und der Leiterteil zu einem einheitlichen Aufbau verbunden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hn e t, daß zusätzlich eine Passivierungsschicht (50) aus einem Passivierungsmaterial aufgebracht und um den Körper sowie um den Kontaktteil zwischen dessen Verbindungsfläche und dem Körper geschmolzen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Metall aus der Gruppe Wolfram, Molybdän, Tantal und deren Legierungen ausgewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeic h-
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net, daß das wärmebeständige Metall Molybdän ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Metall aus der Gruppe Silber und Kupfer und deren Legierungen ausgewählt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Metall Kupfer ist.
7· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeic hn e t, daß das Passivierungsmaterial aus der Gruppe Glas und Kunstharz ausgewählt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeic hn e t, daß das Passivierungsmaterial Glas ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im wesentlichen aus Silizium gebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeic hn e t, daß das wärmebeständige Metall Molybdän ist, daß das leitende Metall Kupfer ist, daß das Passivierungsmaterial Glas ist, und daß der Halbleiterkörper im wesentlichen aus Silizium gebildet ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g ekennzeichnet, daß die Erwärmung in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g ekennzeichn et, daß die Verbindungsflächen der Teile im wesentlichen dieselbe Form und Größe aufweisen, und daß die Hartlotlegierung als ein Vorformling mit Verbindungsflächen mit einer im wesentlichen ähnlichen Form und Größe versehen ist 1 welche zu den Verbindungsflächen der Teile passen.
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13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g ekennzeichnet, daß die Hartlotlegierung etwa 80 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 5 Gewichtsprozent Phosphor aufweist.
14. Verfahren zum Anbringen eines Leiterteils an einem Halbleiterkörper, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper (l4) mit einer Verbindungsfläche (42)yein im wesentlichen aus einem wärmebeständigen Metall gebildeter Kontaktteil (20), welcher an jedem Ende einesVerbindungsflache (22, 24) aufweist, ein im wesentlichen aus einem thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildeter Leiterteil (4o), welcher an einem Ende eine Verbindungsfläche (42) aufweist, und ein Vorformling (30) zum Hartlöten vorgesehen sind, welcher im wesentlichen aus einer Hartlotlegierung aus etwa 8O bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis I5 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Ge wichtsprozent Phosphor gebildet ist und welcheran jedem Ende eine Verbindungsfläche (32, 34) aufweist; daß eine Anordnung
/die
(lO) gebildet wird, wobei gleichzeitig Verbindungsfläche (42) des Halbleiterkörpers (l4) an der einen Verbindungsfläche (22) des Kontaktteils aus wärmebeständigem Metall, die andere Verbindungsfläche (24) dieses Kontaktteils mit der einen Verbindungsfläche des Vorformlings aus der Hartlotlegierung und die andere Verbindungsfläche (34) des Vorformlings an der Verbindungsfläche des Leiterteils aus leitendem Metall anliegen;daß die Anordnung dann in einer inerten Atmosphäre zumindest auf den Benetzungspunkt der" Legierung erhitzt wird, um die einander berührenden Verbindungsflächen (24, 32 und 34, 42) dadurch hartzuverlöten, und daß schließlich die Anordnung abgekühlt wird, um dadurch den Halbleiterkörper, den Kontaktteil, den Vorformling und den Leiterteil zu einer Einheit zu verbinden.
15- Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Material aus der Gruppe Molybdän, Wolfram, Tantal und deren Verbindungen ausgewählt ist.
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16. Verfahren nach Anspruch 155 dadurch gekennzei chn e t, daß das wärmebeständige Metall Molybdän ist.
17. Verfahren nach Anspruch lk, dadurch gekennzei chn e t, daß das leitende Metali aus der Gruppe Kupfer und Silber sowie deren Legierungen ausgewählt ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17> dadurch gekennzei chn e t, daß das leitende Metall Kupfer ist.
19· Verfahren nach einem der Ansprüche Ik bis l8, dadurch gekennzeichnet, daß der Helbleiterkörper im wesentlichen aus Silizium gebildet ist und eine auf diesem aufgebrachte, elektrisch leitende Schicht Ü6) aus einem hetf.ll aufweist, welches aus der Gruppe Aluminium und Gold ausge wählt ist, um die Verbindungsfläche festzulegen.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche Ik bis 18, dadurch gelcennzeichn et, daß das wärmebeständige Metall Molybdän ist, daß das leitende Metall Kupfer ist,und daß der Halbleiter körper im wesentlichen aus Silizium besteht, auf welchem eine Aluminiumschicht aufgebracht ist, um dessen Verbindungsfläche festzulegen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche Ik bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Passivie rungsschicht (50) aus einem Passivierungsmaterial um den Halbleiterkörper und dan Kontaktteil herum zwischen den Verbin dungsflächen aus wärmebeständigem Metall aufgebracht und verschmolzen ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzei chn e t, daß das Passivierungsmaterial aus der Gruppe Glas und Kunstharz ausgewählt ist.
23· Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzei chn e t, daß das Passivierungsmaterial Glas ist.
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2k. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzei chn e t, daß das wärmebeständige Material Molybdän ist, daß das leitende Metall Kupfer ist, daß das Passivierungsmaterial
Glas ist, und daß der Halbleiterkörper im wesentlichen aus
Silizium gebildet ist und eine auf diesem aufgebrachte, elektrisch leitende Aluminiumschicht aufweist, um dessen Verbin dungsflache festzulegen.
25· Verfahren nach einem der Ansprüche lk bis 2k, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hartlotlegierung etwa
80 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 5 Gewichtsprozent Phosphor aufweisen.
26. Verfahren nach Anspruch 25 5 dadurch gekennzei ch-11 e t, daß eine Passivierungsschicht (50) aus einem Passivie rungsmaterial, welches aus der Gruppe Glas und Kunstharz aus gewählt ist, um den Halbleiterkörper und den Kontaktteil herum zwischen die Verbindungsflächen aus wärmebeständigem Material aufgebracht und aufgeschmolzen wird.
27· Halbleitereinrichtung mit einem Leiterteil, gee kennzeichnet durch einen Halbleiterkörper (l4), durch
einen aus wärmebeständigem Metall gebildeten Kontaktteil (20) weicher nach außen von dem Körper vorsteht und in einer von
dem Körper einen bestimmten Abstand aufweisenden Verbindungsfläche {2k) endet, durch einen im wesentlichen aus einem
thermisch und elektrisch leitenden Metall gebildeten Leiter teil (4o), welcher an einem Ende in einer Verbindungsfläche
{k2) endet; und durch eine Hartlotlegierung (30) aus etwa
80 bis 89 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent Silber und etwa 4 bis 6 Gewichtsprozent Phosphor, welche dazwischen aufgebracht ist und die Verbindungsflächen der
Teile (20, kO) aneinander sichert, um dadurch die Teile zu
einem einheitlichen Aufbau (10) zu verbinden.
2&. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzei chn e t, daß zusätzlich eine Passivierungsschicht (50) aus
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einem Passivierungsmaterial um den Halbleiterkörper und um den Kontaktteil herum zwischen dessen Verbindungsfläche und dem Körper aufgebracht ist.
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