DE2700466C2

DE2700466C2 - Verfahren zum Befestigen eines Schweißringes an einem Sockel zur Halterung von Halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2700466C2
Application number: DE2700466A
Authority: DE
Inventors: John Stuart Welshpool Montogomery Wales Waite
Original assignee: FLOFORM Ltd WELSHPOOL MONTGOMERY WALES GB; Floform Ltd Welshpool Montgomery Wales
Current assignee: FLOFORM Ltd WELSHPOOL MONTGOMERY WALES GB
Priority date: 1976-01-08
Filing date: 1977-01-07
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE2700466A1; US4072817A; GB1525431A; IT1126706B; FR2337943B1; FR2337943A1; JPS5286066A; JPS5755295B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Schweißringes an einem Sockel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Halbleiterstrukturen die die elektrischen Schaltungselemente bilden, gebräuchlicherweise auf einer Sockelanordnung befestigt. Die Sockelanordnung besteht aus einen Sockel und einem an dem Sockel befestigten Schweißring. Der Sockel dient der Befestigung der Halbleiterstruktur, während der Schwetßring zur hermetisch dichten Verbindung einer Gehäusekappe mit der Sockelanordnung dient. eo

Der Sockel besteht gebräuchlicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, während der Schweißring üblicherweise aus Stahl besteht. Der Sockel weist üblicherweise im wesentlichen die Form eines kleinen Bechers oder Napfes oder die Form eines Trägerstiftes mit w\ flanschartig verbreitertem Kopfteil zur Befestigung der Halbleiterslruktur auf, wobei der sehaftförmigc FuB eines solchen stiftförmigen Sockels meist ein Gewinde

trägt.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Sockelanordnung der eingangs genannten Art ist aus der Druckschrift GB1 352 317 Al bekannt. Nach diesem Verfaren werfen der Schweißring und ein Sockelrohl:ng in das Formwerkzeug einer Formpresse eingelegi. Beim anschließenden plastischen Verformen des Rohlings /um Sockel fließt das Sockelmaterial am Schweißring entlang durch diesen hindurch. Dabei wird bereits eine relativ feste mechanische Verbindung zwischen dem Schweißring und dem Sockel erhalten. Da die so erhältliche Verbindung jedoch noch nicht den an die Verbindung zwischen einem Schweißring und einem Sockel einer Sockelanordnung der in Rede stehenden Art gestellten Anforderungen entspricht, wird die nach dem Formpressen erhaltene Sockelanordnung in einem Ofen ca. 30 min auf eine Temperatur im Bereich von 1000⁰C erwärmt. Dabei erfolgt eine Diffusion der Metallatome durch die Grenzfische zwischen dem Schweißring und dem Sockel hindurch, so daß durch diese Diffusion die angestrebte feste Verbindung zwischen dem Schweißring und dem Sockel erhalten wird.

Dieses Verfahren hat sich in der Praxis jedoch nicht ausreichend bewährt. Es hat sich gezeigt, daß beim Fließpressen die Bildung lunkerartiger Hohlräume im Bereich der Verbundfläche zwischen dem Schweißring und dem Sockel nicht ausgeschlossen werden kann. In diese Hohlräume kann dann beim nachträglichen Galvanisieren der Sockelanordnung Elektrolytflüssigkeit eindringen. Sockelanordnungen mit solchen Fehlern sind für die Herstellung von Halbleiterbauelementen unbrauchbar.

Da sich das früher gebräuchliche Auflöten (GB 922 823 Al) des Schweißringes auf dem Sockel durch das Erfordernis einer relativ großen Menge Silberlot und durch das arbeitsaufwendige Verfahren des Lötens selbst angesichts der Fertigung von Halbleiterbauelementen mit zunehmender Stückzahl als zunehmend unwirtschaftlich erweist, besteht in der Praxis ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren zur Befestigung des Schweißrinnes am Sockel.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Befestigen eines Schweißringes an einem Sockel zu schaffen, das sich für den Einsatz zur Serienfertigung in großen Stückzahlen eignet und eine verläßlich feste und lunkerfreie Verbindung zwischen dem Schweißring und dem Sockel gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art geschaffen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmals aufweist.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren zur Herstellung einer Sockelanordnung von Halbleiterbauelementen, nach dem der Schweißring zunächst mit dem Sockel in Berührung gebracht wird und der Socke! dann in seinem an dem Schweißring anliegenden Oberflächenbereich durch Wärmeleitung vom Schweißring her aufgeschmolzen und dann zur Ausbildung einer festen Verbindung mit dem Schweißring anschließend abgekühlt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Schweißring in eine aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff bestehende Halterung eingesetzt, mit der er in wärmeleitende Berührung gebracht wird. In dieser Halterung wird der Schweißring mit dem Sockel in Berührung gebracht. Auf diese Weise kann die Verformung des Sockels unter der Wärmeeinwirkung be

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grenzt werden. Die Halterung wird dann ausreichend lange auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um durch den Wärmefluß von der Halterung über den Schweißring auf den auf dem Schweißring aufliegenden Überflächenbereich des Sockels diesem Oberflächenbereich eine Wärmemenge zuzuführen, die den Werkstoff des Sockels in diesem auf dem Schwcißring aufliegenden Oberflächenbereich aufzuschmelzen vermag.

Vorzugsweise wird die Grenzfläche zwischen dem Schweißring und dem Sockel ca. 1 min auf einer Temperatur gehalten, die nicht kleiner als die Schmelztemperatur des Sockelwerkstoffs ist.

Die Halterung, über die die zum Aufschmelzen des Sockelmaterials im Verbindungsbereich erforderliche Wärme auf den i.chweißring leitend aufgebracht wird, kann prinzipiell aus beliebigem Werkstoff bestehen, solange dieser eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Vorzugsweise besteht die Halterung aus Graphit. Die Halterung mit dem Schweißring, der mit dem Sockel in Bi rüiirung steht, kann sowohl in einem Ofen, vorzugsweise in einem elektrischen Muffelofen, er_tr. wärmt werden als auch selbst mit Heizelementen ausge-•Yrüstet oder direkt heizbar sein.
■/ Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher "erläutert. Es zeigen

F i g. 1 in perspektivischer schematischer Darstellung eine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Halterung;

F i g. 2 im Schnitt und in vergrößerter Teildarstellung die in F i g. 1 gezeigte Halterung mit einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens;

F i g. 3 einen Schnitt der in F i g. 2 gezeigten Art mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens;

F i g. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung der Durchführung des Verfahrens;

F i g. 5 ein erstes Stadium einer Methode, nach der der Sockel und der Schweißring miteinander in Berührung gebracht werden; und

F i g. b einen Schnitt der in F i g. 5 gezeigten Art zu einem späteren Bearbeitungsstadium.

Die F i g. 2 zeigt ein Vorprodukt eines Sockelanordnung. Dieses Vorprodukt besteht aus einem Sockel iO aus Kupfer und einem Schweißring 11 aus Stahl, der vorgeformte, aber nicht endgültig ausgeformte Sockel

10 besteht aus einem Kopf 12a und einem Zentrierzapfen 126, die zwischen sich eine Schulter 12c bilden. Der Schweißring 11 ist in eine Halterung 13 aus Graphit eingesetzt. Der Sockel 10 greift mit seinem Zentrierzapfen 12b durch der Schweißring 11 hindurch. Die Schulter 12c des Sockels 10 liegt flächig aus dem Schweißring

11 auf. Die Halterung 13 (Fig. 1) weist als Grundbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 14 auf. Im oberen Bereich 15 weiser, die Ausnehmungen 14 einen größeren Durchmesser als im tiefergelegenen Bereich 17 der Bohrung auf. Zwischen dem Bereich IS mit dem größeren Durchmesser und dem Bereich Yi mit dem kleineren Durchmesser der Bohrung ist eine Schulter ίδ gebildet, die nach oben, also zur öfffung der Bohrung hin, freiliegt In einem einzigen Graphitblock 18 sind mehrere soldier Ausnehmungen nebeneinander angeordnet. Der Außendurchmesser des Zentrierzapfens 126 des Sokkels 10 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Bohrung ini Bereich 17, weist also gegenüber dem engeren Bohrungsabschnitt der Ausnehmung 14 ein geringes radiales Spiel auf. Der in die Ausnehmung 14 der Halterung 13 eingesetzte Schweißring 11 liegt auf der Schulter 16 auf und an der Innenwand des oberen weiteren Abschnitts 15 der Bohrung oder Ausnehmung 14 an.

Nach dem Bestücken aller Ausnehmungen 14 im Graphitblock 18 mit den Schweißringen und den eingesetzten Sockeln wird der Graphitblock 18 dann in einen elektrischen Muffelofen eingesetzt, der in gebräuchlicher Weise mit einer Schutzgasatmosphäre versehen wird. Als Schutzgas dient vorzugsweise Wasserstoff. Im Muffelofen wird der Graphitblock bei relativ kurzer Verweilzcit einer Temperatur von ca. 1100⁰C ausgesetzt. Zu diesem Zweck wird der Graphitblock auf einem Transportband durch den Ofen geführ*. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Transportgeschwindigkeit des bestückten Graphitblocks bzw. der bestückten Halterung durch den Ofen hindurch

i¹) 10,2 cm/min. Der als Halterung dienende Graphitblock wird dadurch für eine Verweilzeit von 5 min einer Temperatur von HO⁰C ausgesetzt. Die Zone des Ofens, in der eine Temperatur von 1100⁰C herrscht, ist dabei ca. 50,8 cm lang.

Für das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 4 der Verlauf der Temperatur des a's 'Halterung dienenden Graphitblocks im Bereich einer Ausnehmung 14 als Funktion der Zeit dargestellt. Die Temperatur wird durch ein Thermoelement gemessen, das an einer der Ausnehmungen 14 angeordnet ist

Dem in der F i g. 4 gezeigten Temperaturverlauf kann entnommeti werden, daß unter den genannten Bedingungen ca. 2 min eine Temperatur von ca. 1071⁰C erreicht wird. Wichtig ist, daß während dieser 2 min die Temperatur zumindest für eine kurze Zeitspanne, beispielsweise für 1 min in dem Flächenbereich, in dem der Sockel auf dem Schweißring aufliegt, die Temperatur des Schmelzpunktes des Kupfers erreicht wird. Unter diesen Bedingungen wird während dieser kürzeren Zeitspanne das Kupfer aufgeschmolzen und benetzt den Schweißring. Nur durch diesen Vorgang kann die Bildung von Hohlräumen im Verbir.dungsbereich zwischen dem Schweißring und dem Sockel vermieden und eine gute Verbindung beider Elemente miteinander gewährleistet werden. Gleichzeitig ist es jedoch erforderlich, die Temperatur nicht zulange auf oder über der Temperatur des Schmelzpunktes des Werkstoffs des Sockels, hier also des Kupfers, oder während der Schmelzphase zu hoch über der Temperatur des Schmelzpunktes zu halten, um zu verhindern, daß der gesamte Sockel aufschmilzt. Eine geringe Verformung des Sockelkörpers kann jedoch durchaus in Kauf genommen werden, da eine solche Verformung des Sokkels durch die Innenwände des Bohrungsabschnittes 17 der Halterung begrenzt und aufgefangen wird.

Da Kupfer einen relativ hohen Wärmereflexgrad aufweist, wird der Sockel unter den angegebenen Bedingungen in der vorgegebenen Verweilzeit durch die Strahlungswärme des Ofens noch nicht auf oder gar über seinen Schmelzpunkt erwärmt. Statt dessen erwärmt sich die aus Graphit bestehende Halterung mit ihrem hohen V/ärmeabsorptionsgrad und ihrer guten Wärmeleitfähigkeit sehr rasch auf eine Temperatur, die über der Temperatur des Schmelzpunktes des Kupfers liegt. Die von der Halterung aufgenommene Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung vom Werkstoff der Halterung, also vom Graphit, auf den Schmelzring übertragen, der, wie vorstehend beschrieben, mit der Halterung in enger direkter Berührung steht. Da der Werkes stoff des Schweißringes bestimmungsgemäß einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als er der Werkstoff des Sockels bsteht, leitet der Schweißring die aufgenommene Wärmeenergie auf den Sockel, wodurch insbesonde-

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re eine loka! begrenzte Erwärmung des auf dem bewegung ausführt. Auf Grund des hohen Druckes, der Schweißring aufliegenden Oberflächenbereiches des zwischen dem Schweißring und dem Rohling aufgebaut Sockels bewirkt wird. Die Temperatur dieses Oberflä- wird, wird durch dieses Fließen entlang der Bohrung 33 chenbereiches überschreitet dabei rasch die Tempera- des Schweißringes vcm Rohling eine diesen ursprüngtur des Schmelzpunktes des Kupfers. Dadurch wird der 5 lieh umgebende Oberflächenschicht abgetragen. Durch Wirkstoff des Sockels, also das Kupfer, in diesem Ober- die plastische Verformung des Sockelrohlings, die bei flächenbereich aufgeschmolzen und führt zur Ausbil- diesem Vorgang eintritt, wird die abgetragene Oberflädung einer festen Schmelzverbindung zwischen dem chenschicht gleichzeitig aus dem Berührungsbereich mit Schweißring und dem Sockel Unmittelbar anschließend dem Schweißring herausgeführt. Dies führt dazu, daß beginnt die programmierte und geregelte der erhalte- io die einander berührenden Oberflächen des Schweißrinnen Sockelstruktur unter Verwendung des vorgegebe- ges und des Sockelrohlings praktisch frei von üblichen nen Temperaturprofils im Ofen. Oberflächenverunreinigungen, beispielsweise also

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Verfahren Oxidschichten oder Fettschichten, sind, nach der Erfindung ist in der F i g. 3 gezeigt Der Sockel Die so hergestellte vorläufige Verbundstruktur aus

10a ist ohne Zentrierzapfen als zylindrische Scheibe 15 dem Sockel und dem Schweißring wird anschließend in ausgebildet. Der Schweißring Ua aus Stahl und in flä- eine Halterung aus Graphit eingesetzt, wobei der chiger Berührung auf diesem das als Stanzstück ausge- Schweißring in einen gut wärmeleitenden Kontakt zum bildete Sockelstück 10a liegen in einer zylindrischen Werkstoff der Halterung, also zum Graphit, gebracht Bohrung in einer als Graphitiifel ausgebildeten Halte- wird. Die auf diese Weise bestückte Halterung wird rung 13a. Der Schweißring und der scheibenförmige 20 dann in der oben beschriebenen Weise durch Transport Sockel liegen mit ihren Stirnseiten aufeinander. Der durch einen elektrischen Muffenofen hindurch erwärmt. Schweißring 11a steht mit dem Boden 16a und der zylin- Das zuletzt beschriebene Verfahren der Herstellung

drischen Innenwand 15a der Bohrung in dem als Halte- einer vorläufigen Verbundstruktur durch Kaltverforrung 13a dienenden Graphitblock in enger Berührung. men eines Sockelrohlings durch den Schweißring hin-Dabei steht zumindest zu Beginn des Schmelzverbin- 25 durch weist den Vorteil auf, daß weitgehend gereinigte dungsprozesses, also zu Beginn der Erwärmung, das als Oberflächen der Werkstoffe sowohl des Schweißringes Sockel 1Oi dienende Stanzteil nicht in Berührung mit als auch des Sockels in relativ enge Berührung miteinander zylindrischen Innenwand der Bohrung άτ Halte- der gebracht werden, ohne daß es eines zusätzlichen rung. Zur Herstellung der Schmelzverbindung wird Beizvorganges oder eines gesonderten Ineinanderfüauch die in F i g. 3 gezeigte Anordnung in der oben be- 30 gens der beiden Teile der Sockelanordnung, nämlich des .. schriebenen Weise durch einen elektrischen Muffelofen Sockels und des Schweißringes, bedarf. Der eigentliche | geführt Vorgang der Herstellung dar Schmelzverbindung zwi- i

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist schließlich in den sehen dem Schweißring und dem Sockel kann dadurch | F i g. 5 und 6 dargestellt. Der Sockel wird in einer gc- von besonders günstigen Ausgangsvoraussetzungen | bräuchlichen Gesenkpresse hergestellt, die ein Ober- 35 ausgehend durchgeführt werden. \

werkzeug 20 und ein Unterwerkzeug 21 besift. Das Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbei- |

Oberwerkzeug 20 ist in bekannter Weise mit einem spielen kann die erhaltene Sockelanordnung nach dem 1 Schieber 22 ausgerüstet, der in gebräuchlicher Weise Erwärmen zur abschließenden Formgebung zum end- 'j abwärts geführt werden kann. Der Schieber kann auch gültigen Fertigprodukt kalt verfornu werden. Der vor-1 dem Auswerfen der hergestellten Sockelanordnung die- 40 geformte Sockel kann in diesem Arbeitsgang beispiels- i nen. weise als Stift oder Becher fertiggestellt werden. Auf I

Das Oberwerkzeug 20 weist weiterhin eine obere das dann erhaltene Fertigteil, nämlich die fertige | Matrize 23 auf, die eine zylindrische Stempelbohrung 24 Sockelanordnmg. kann dann in gebräuchlicher Weise p besitzt. das Halbleiterelement fixiert und die Gehäusekappe |

Das Unterwerkzeug 21 trägt in ähnlicher Weise eine 45 aufgesetzt und auf dem Schweißring verschweißt wer- i Untermatrize 26 mit einer im wesentlichen ebenen den. f

Oberfläche 27 und einer zentralen Bohrung 28, in der ein p

Dorn 29 verschiebbar gelagert ist. Eine ringförmige Hierzu 1 Blatt Zeichnungen |

Ausnehmung 30 mit rinnenförmigem Querschnitt ist um |

die öffnung der Bohrung 28 herum in der sonst ebenen so Jj

Oberfläche 27 ausgeformt |

Zur Durchführung des Verfahrens wird der Schweiß- I

ring 31 automatisch in die Ausnehmung30 auf der Ober- f

fläche der Untermatrize 26 eingesetzt Ein zylindrischer §

Rohling 32 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wird 55 1

durch den aus Stahl bestehenden Schweißring 31 hin- p

durch auf den Dorn 29 in der Untermatrize 26 aufge- f

setzt - I

Nach dem Einsetzen des Rohlings 32 wird das Oberwerkzeug 20 so abgesenkt daß in der in F i g. 6 gezeig- μ
ten Weise der Rohling 32 zwischen den Matrizen 23 und
26 und dem Dorn 29 so verformt wird, daß er das freibleibende Nest des Werkzeugs ausfüllt. Dabei wird der
untere Teil des Rohlings 32 plastisch in der Bohrung 33
des Schweißringes 31 so verformt daß ein Teil der 65

Oberfläche des Rohlings 32, der sich in Berührung mit *

dem Schweißring 31 befindet, an der Oberfläche des ,

Schweißringes entlangfließt zu dieser also eine Relativ- ^

Claims

27 OO Patentansprüche:

1. Verfahren zum Befestigen eines Schweißringes an einem Sockel zur Halterung eines Halbleiterelementes, wobei das Material des Schweißringes einen höheren Schmelzpunkt als das des Sockels hat und wobei der Schweißring mit dem Sockel in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel nur in dem an Schweißring anliegenden Oberflächenbereich durch Wärmeleitung vom Schweißring her aufgeschmolzen wird und daß die Anordnung aus Sockel und Schweißring zur Ausbildung einer festen Verbindung anschließend abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß für den Schweißring Stahl und für den Sockel Kupfer verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißring in Berührung mit dem Sockel so in eine gut wärmeleitende Halterung eingesetzt wird, daß der Schweißring und die Halterung wärmeleitend miteinander in Verbindung stehen, und daß dann die Halterung so lange auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß das Aufschmelzen im Oberflächenbereich des Sockels durch die von der Halterung über den Schweißring auf den Sockel geleitete Wärme bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung aus Graphit verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung in einem Ofen erwärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung selbst mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet ist und über diese direkt erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzflächenbereich zwischen dem Schweißring und dem Sockel ca.

1 min auf einer Temperatur gehalten wird, die größer oder gleich der Schmelztemperatur des Werkstoffs des Sockels ist.

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