DE3315062A1 - Verfahren zur abscheidung von lot auf aluminiummetallmaterial - Google Patents

Verfahren zur abscheidung von lot auf aluminiummetallmaterial

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Description

1A-4195
ME-682 (F-2588)
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo, Japan
Verfahren zur Abscheidung von Lot auf Aluminiumnietall·
material
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur leichten und festen Abscheidung eines Lotmaterials auf einem Aluminiummetallmaterial, dessen Verbindung mit einem Lot bisher als schwierig bzw, undurchführbar angesehen wurde*
Allgemein werden Lötarbeiten bei Aluminiummetall unter anderem aus folgenden Gründen nicht durchgeführt. Das Aluminiummetall wird leicht oxidiert. Es besteht die Gefahr, daß elektrolytische Korrosionserscheinungen ver-
ursacht werden. Es ist ziemlich schwierig, eine feste Lösung mit dem Lotmaterial auszubilden usw.. Folglich wurde bisher Aluminiummetall, bei dessen Verwendung die Lötarbeiten mit Schwierigkeiten behaftet sind, kaum als Kühlkörpermaterial eingesetzt, an das ein Halbleiterelement beispielsweise angelötet wird. In den meisten Fällen besteht ein derartiges Kühlkörpermaterial aus Kupfer, wodurch die Lötarbeit erleichtert ist.
Bei der Erläuterung eines herkömmlichen Beispiels wird daher nachfolgend Bezug genommen auf ein Verfahren zum Löten eines Halbleiterelements an einen Kühlkörper aus Kupfer, wobei es sich um ein typisches Beispiel handelt. Dabei ist, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, das Halbleiterelement 1 an den aus Kupfer bestehenden Kühlkörper 2 unter Verwendung des Lotmaterials 3 angelötet. Je nach den Bedingungen des Lötens kann es dabei jedoch vorkommen, daß Kupferionen aus dem aus Kupfer bestehenden Kühlkörper 2 während des Betriebs der Halbleitervorrichtung ionisiert werden und dadurch einen Störeffekt auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements 1 ausüben. Darüber hinaus ist Kupfer ein schweres Material und ist teuer, was dazu führt, daß die zu bauende Halbleitervorrichtung unvermeidbar schwer und teuer wird.
Der Grund dafür, daß Kupfer trotz seiner Nachteile bisher als Material für den Kühlkörper verwendet wurde, besteht darin, daß Aluminium, welches ein geringes Gewicht hat und billig zu haben ist, ein Material darstellt, dessen Verbindung mit dem Lot Schwierigkeiten bereitet.
Von den Erfindern wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt zur Entwicklung eines verbesserten Verfahrens der Abscheidung des Lotmaterials auf Aluminiummetallmaterial. Dabei wurde festgestellt, daß das Lotmaterial auf dem Aluminiummetallmaterial leicht und fest abgeschieden werfen kann unter Anwendung der folgenden Verfahrensstufen:
(A) Aktivierung der Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ;
(B) Ersetzen (Substitution) der aktivierten Oberfläche des Aluminiums durch Zink;
(C) Ausbildung eines Nickelbeschichtungsfilms auf der zinksubstituierten Oberfläche mittels eines stromlosen Plattierungsverfahrens; und
(D) Aufbringen des Lotmaterials auf die Oberfläche des Nickelbeschichtungsfilms.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Abscheidung von Lot auf Aluminiummetallmaterial zu schaffen, mit dem die Ausbildung der Lotverbindung mit gleicher Leichtigkeit möglich ist wie bei anderen metallischen Materialien, welche leicht mit Lot verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abscheidung von Lot auf Aluminiummetallmaterial, welches folgende Verfahrensstufen umfaßt:
(a) Aktivierung der Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ;
(b) Substitution der aktivierten Oberfläche des Aluminiums mit Zink;
(c) Ausbildung eines Nickelbeschichtungsfilms über der Oberfläche der zinksubstituierten Schicht auf dem Aluminiummetallmaterial durch stromlose Plattierung; und
(d) Aufbringen des Lotmaterials auf die Oberfläche des Nickelbeschichtungsfilms.
Im folgenden wiiüdie Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, bei der ein Halbleiterelement auf einen herkömmlichen Kühlkörper aus Kupfer aufgelötet istj und
Fig. 2 und 3 schematische Querschnittsansichten von Halbleitervorrichtungen, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 näher erläutert, wobei es sich um typische Ausführungsformen von Verfahren zum Löten des Halbleiterelements an einen Kühlkörper aus Aluminium handelt.
Zunächst wird gemäß der vorstehenden Reaktionsstufe (A) eine Behandlung zur Aktivierung der Oberfläche durchgeführt. Diese Behandlung kann durchgeführt werden, indem man eine Salpetersäurelösung auf den Kühlkörper 10 auf-
d^r^kühikörper aus reinem Aluminium besteht, oder indem man eine gemischte Flüssigkeit aus . Fluorsäure und Salpetersäure auf den Kühlkörper auf- ~g^g^ Silicium und
Aluminium besteht, oder indem man eine gemischte Flüssigkeit aus Schwefelsäure und Salpetersäure auf den Kühlkörper aufbringt, falls dieser aus einer Legierung aus Magnesium und Aluminium besteht, oder indem man den Kühlkörper in eine derartige Behandlungsflüssigkeit eintaucht, welche hinsichtlich ihrer Bestandteile jeweils dem Kühlkörper entsprechend angepaßt ist.
- r-6-
Die Zinksubstitutionsbehandlung der Verfahrenestufe (B) kann auf der aktivierten Oberfläche des Aluminiummetallmaterials beispielsweise nach einem Verfahren der Zinksubstitution, der Zinklegierungssubstitution usw. durchgeführt werden, wobei alle diese Verfahren zum Typ der Substitutions(Ionenausxausch)-Plattierung gehören. Als Ergebnis wird eine zinksubstituierte Schicht 11 auf der Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ausgebildet.
Nachfolgend werden einige Beispiele für das Plattierungsbad angegeben, die im Falle der Anwendung des Substitutions-Plattierungsverfahrens Verwendung finden können. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Plattierungsbad nicht auf diese angegebenen Beispiele beschränkt ist.
Plattierungsbad (I) Komponente g/l
Nickelsulfat 30
Zinksulfat 40
Kupfersulfat 5
Natriumhydroxid 106
Rochellesalz 40
Kaliumprussiat 10
Eisen(III)-Chlorid 2
Plattierungsbad (II) Komponente g/l
Zinkoxid 100
Ätznatron 525 Rochellesalz 10
Eisen(III)-Chlorid 10
Es ist, nebenbei bemerkt, möglich, die zinksubstituierte Schicht, welche sich einmal ausgebildet hat, zu entfernen und eine frische, zinksubstituierte Schicht auf die gleiche, oben erwähnte Weise wiederum auszubilden. Darüber hinaus kann eine derartige Schichtbildung wieder holt durchgeführt werden.
Die Verfahrensstufe (C) zur Ausbildung des Nickelbeschichtungsfilms kann durchgeführt werden mittels des stromlosen Plattierungsverfahrens auf der Oberfläche der in der Stufe (B) erhaltenen, zinksubstituierten Schicht 11, und z*ar unter Ausbildung des Nickelbeschichtungsfilms .12. Geeignete Plattierflüssigkeiten für diesen Zweck sind beispielsweise solche vom Borid-Typ, vom Hypophosphorsäure-Typ und andere.
Für die bei den Verfahrensstufen (B) und (C) durchzuführenden Plattierungen können Bedingungen angewendet werden, wie sie bei herkömmlichen Plattierungsarbeiten gebräuchlich sind. Das Aluminiummetallmaterial wird beispielsweise zur Durchführung der Verfahrensstufe (B) 10 bis 60 Sekunden bei 20 bis 300C eingetaucht und zur Durchführung der Stufe (C) 10 bis 60 Sekunden bei 60 bis 950C eingetaucht. Anschließend kann das Halbleiterelement 1 auf herkömmlichem Wege auf den Nickelbeschichtungsfilm 12, der auf die oben beschriebene Weise ausgebildet wurde, aufgelötet werden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das leichte Aluminium für den Kühlkörper zu verwenden. Dadurch kann das Gewicht der Gesamtvorrichtung reduziert werden, und es können ferner die Herstellungskosten der Vorrichtung verringert werden, da Aluminium kostengünstig zur Verfügung steht. Da darüber hin-
aus Aluminium leicht bearbeitet werden kann, gestaltet sich die Formung des Kühlkörpers äußerst einfach. Es sei nebenbei erwähnt, daß der Hiekelbeschichtungsfilm 12 keinerlei nachteiligen Einfluß auf das Halbleiterelement 1 ausübt.
Bei den Verfahrensstufen (B) und (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl die zinksubstituierte Schicht 11 als auch der Nickelbasehlchtungsfilm 12 ausgebildet. Bei diesen Verfahrensstuf©n kann ein stromloses Verfahren angewendet werden. Dadurch ist es möglich, die Behandlung des Aluminiummetallmaterials unter Verwendung einer einfachen Apparatur durchzuführen und eine große Menge des Materials auf einmal zu bearbeiten.
Es sei darauf hingewiesen, daß dl© zinksubstituierte Schicht und der Nickelbeschichtungsfilm nicht immer über der gesamten Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ausgebildet sein müssen. Diese Schichten können auch lediglich auf denjenigen Bereichen ausgebildet sein, welche für das Löten erforderlich sind. Zu diesem Zweck kann es ausreichen, daß solche Bereiche, welche nicht für das Löten benötigt werden, mit Isolierschichten maskiert werden und nachfolgend die zinksubstituierte Schicht 11 und der Nickelbeschichtungsfilm 12 auf den erforderlichen Bereichen ausgebildet werden. In Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung dargestellt9 die auf die oben beschriebene Weise erhalten wurde.
Dieses Verfahren bietet zusätzlich zu den oben erwähnten Vorteilen aufgrund der Tatsache, daß die zinksubstituierte Schicht 11 und der Nlckelfoesohichtungsfilm 12 Ie-
diglich auf den Bereichen ausgebildet werden, wo das Löten stattfindet, folgende Vorteile. Die zinksubstituierte Schicht und der Nickelbeschichtungsfilm liegen in denjenigen Bereichen des metallischen Materials, welche für das Löten nicht benötigt werden, nicht frei und die elektrolytische Korrosion aufgrund des Potentialgradienten mit dem Aluminium, welches den Kühlkörper 10 aufbaut, kann verhindert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
Beispiel
Ein Kühlkörper aus Aluminium wird in eine gemischte Flüssigkeit von Fluorsäure und Salpetersäure (mit einem Volumenverhältnis von 50:30) 5 bis 10 see eingetaucht. Dabei wird die Oberfläche des Aluminiummetallmaterials aktiviert. Anschließend wird der Kühlkörper in das zuvor erwähnte Plattierungsbad (I) 10 bis 60 see eingetaucht, um auf diese Weise eine zinksubstituierte Schicht auszubilden.
Der so behandelte Kühlkörper wird anschließend in ein Plattierungsbad vom Bor-Typ der folgenden Zusammensetzung 1 h eingetaucht, um auf diese Weise einen Nickelbeschichtungsfilm auszubilden.
Komponente g/l
Nickelchlorid 30
Nickelhydroxid 40
Ethylendiamin 60 Natriumfluorid 3
Natriumborhydrid 0,5
Beim Auflöten eines Halbleiterelements auf den so gebildeten Nickelbeschichtungsfilm haftet das Lotmaterial fest an dem Nickelbeschichtungsfilm und das Löten kann leicht durchgeführt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es. möglich, die Lötarbeit bei Aluminiummetallmaterial durchzuführen, welches ein geringes Gewicht hat und billig ist. Zur Durchführung des Verfahrens ist es lediglich erforderlich, die Oberfläche des Aluminiums zu aktivieren, nachfolgend die zinksubstituierte Schicht und danach den Nickelbeschichtungsfilm auszubilden. Darüber hinaus ist die Praktikabilität des Verfahrens ausgezeichnet. Die erfindungsgemäßen Behandlungsstufen können in einem einfachen apparativen Aufbau in großem Maßstab durchgeführt werden.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren in erster Linie anhand eines Beispiels erläutert, bei dem das Verfahren zum Löten des Halbleiterelements an den Kühlkörper angewendet wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht nur bei dem oben erwähnten Fall anwendbar, sondern eignet sich für alle Fälle, bei denen eine Lotverbindung zu Aluminium hergestellt werden soll.

Claims (4)

Pa tentansprüche
1. Verfahren zur Abscheidung von Lot auf Aluminium^· metallmaterial, gekennzeichnet durch die Verfahrens» stufen:
(a) Aktivierung der Oberfläche des Aluminiummetalls ι
(b) Substitution der aktivierten Oberfläche des Aluminiums mit Zink;
(c) Ausbildung eines Nickelbeschichtungsfilms über der Oberfläche der zinksubstituierten Schicht auf dem Aluminiummetallmaterial mittels stromloser Plattierung ; und
(d) Aufbringen von Lotmaterial auf die Oberfläche des Nickelbeschichtungsfilms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufe (B) durchgeführt wird, indem man die bereits ausgebildete, zinksubstituierte Schicht entfernt und nachfolgend die Zinksubstitutionsbehandlung wiederholt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufen(A) und/ oder (B) und (C) durchgeführt werden unter Maskierung derjenigen Bereiche, auf die in der Verfahrensstufe (D) nicht eingewirkt werden soll, mittels einer Isolierschicht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verfahrensstufe (D) um das Auflöten eines Halbleiterelements handelt.
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