DE3640435A1 - Loetmittel-vorform und verfahren zu ihrer verwendung - Google Patents

Loetmittel-vorform und verfahren zu ihrer verwendung

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DE3640435A1
DE3640435A1 DE19863640435 DE3640435A DE3640435A1 DE 3640435 A1 DE3640435 A1 DE 3640435A1 DE 19863640435 DE19863640435 DE 19863640435 DE 3640435 A DE3640435 A DE 3640435A DE 3640435 A1 DE3640435 A1 DE 3640435A1
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die
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DE19863640435
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English (en)
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Norbert J Socolowski
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Frys Metals Inc
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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Ver­ binden von Metalloberflächen, sie betrifft insbesondere eine Lötmittel-Vorform (solder preform) und Verfahren zur Verwen­ dung derselben, um eine Lötmittelverbindung zwischen zwei lötbaren Oberflächen herzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist besonders wertvoll beispiels­ weise bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen bzw. Instrumenten, in denen Halbleiterkomponenten mit einem hohen Leistungsbedarf, wie z.B. Leistungstransistoren und dgl., verwendet werden. Beim Zusammenbau solcher Vorrich­ tungen wird ein Halbleiter-Chip mit einer metallisierten Unterfläche, hier allgemein als Matrize bzw. Form (die) be­ zeichnet, mit einer Metalloberfläche einer Trägerstruktur, hier allgemein als Kopfstück (header) bezeichnet, verlötet. Die Kopfstück-Struktur wirkt als Wärmesinkstelle, durch die Wärme aus der Matrize abgeführt wird, um eine thermische Überlastung (Überhitzung) der Halbleiterkomponente zu ver­ hindern. In der Regel wird eine elektrische Verbindung zwi­ schen der Matrize und dem Kopfstück mittels einer Lötmittel­ verbindung hergestellt. So wird beispielsweise im Falle eines Leistungstransistors eine Verbindung (ein Anschluß) an den Kollektor hergestellt über das Kopfstück, während Verbindungen (Anschlüsse) an die Basis und den Emitter über Drähte herge­ stellt werden, die mit metallisierten Abschnitten einer obe­ ren Oberfläche des Chips verbunden sind.
Damit solche Vorrichtungen bei hohen Energiewerten kontinuier­ lich arbeiten, muß die Lötmittelverbindung zwischen der Ma­ trize und dem Kopfstück im allgemeinen eine gute Wärmeleit­ fähigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die entlang der Grenzfläche zwischen Matrize und Kopfstück gleichmäßig ist. Außerdem muß, damit die Vorrichtung prakti­ kabel ist, die Lötmittelverbindungsstelle fest genug sein, um strukturellen Beanspruchungen standzuhalten, die während der Verwendung auftreten können. Um die obengenannten Eigenschaften zu erzielen, muß die Lötmittelverbindungs­ stelle bei einer minimalen Dicke gehalten werden und sie muß im wesentlichen frei von Hohlräumen zwischen den mit­ einander verbundenen Oberflächen der Matrize und des Kopf­ stückes sein.
Die grundlegendste Technik zum Verlöten einer Matrize an Ort und Stelle umfaßt die Verwendung eines Lötmittel-Körpers oder einer Lötmittel-Vorform mit einer geschlossenen geome­ trischen Gestalt (beispielsweise ein rechteckiger oder kreisförmiger Festkörper), der auf eine Trägeroberfläche des Kopfstückes gelegt wird, wobei die Matrize dann auf die Vorform gelegt wird. Diese Komponenten werden dann durch einen Ofen mit einer kontrollierten Atmosphäre und mit einer Temperatur oberhalb des Lötmittel-Schmelzpunktes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der miteinander zu verbindenden Oberflächen hindurchgeführt. Die Ofenatmosphäre besteht in der Regel aus Wasserstoff oder einer Wasserstoff-Stickstoff- Mischung (bekannt als Formiergas), das (die) eine Oxidation der miteinander zu verbindenden Oberflächen und der Vorform verhindert. Beim Passieren des Ofens schmilzt die Lötmittel- Vorform und benetzt die metallisierte Oberfläche der Matrize und die Kopfstück-Trägeroberfläche. Das Ganze wird dann so abgekühlt, daß das Lötmittel erstarrt, um eine Verbindung zu erzielen.
Bei der praktischen Anwendung der obengenannten Technik kann die Bildung von Hohlräumen in der Lötmittelverbindungsstelle besonders problematisch sein. Die Hohlraumbildung ist im allgemeinen das Ergebnis von Gasen, die zwischen der Löt­ mittel-Vorform und den einander gegenüberliegenden Ober­ flächen der Matrize (die) und des Kopfstückes (header) während der Bildung der Lötmittel-Verbindungsstelle, d.h. wenn das Lötmittel schmilzt, eingeschlossen werden. Wenn die Hohlräume nicht über die miteinander verbundenen Ober­ flächen der Matrize und des Kopfstückes verteilt sind oder eine übermäßig große Fläche (beispielsweise 10% oder mehr) der gebundenen Matrizen-Oberfläche bedecken oder wenn ein einzelner Hohlraum zu groß ist (in der Regel mehr als 5% der gebundenen Oberflächengröße der Matrize ausmacht), kann dies zu einem thermischen Versagen der Halbleiterkomponente führen.
Ein weiteres Problem, das bei der vorstehend beschriebenen Verlötungstechnik auftritt, ergibt sich daraus, daß die Vorform (preform) extrem dünn ist. Weil die Vorform sehr dünn gemacht werden muß, um die Lötmittelmenge in der Ver­ bindung zu kontrollieren, kann durch ein ungleichmäßiges Schmelzen der Vorform aus bestimmten Bereichen unter der Matrize Träger entfernt werden und es kann zu einer Verschie­ bung der Matrize auf dem Kopfstück als Folge der Oberflächen­ spannung des schmelzenden Lötmittels kommen. Diese Verschie­ bung kann das anschließende Verbinden der Drähte mit der Matrize erschweren als Folge einer schlechten Ausrichtung der Matrize und ist deshalb höchst unerwünscht. Auch kann die sehr dünne Vorform zu Schwierigkeiten bei der Handhabung führen.
Eine andere Technik, die zur Erzielung einer besseren Löt­ mittelverbindung bei der Herstellung von Halbleitervorrich­ tungen vorgeschlagen worden ist, ist in der US-PS 37 86 556 (Weston) beschrieben. Die Weston-Technik umfaßt die Anord­ nung von vorzugsweise zwei Vorformen seitlich benachbart zur Matrize auf der Trägeroberfläche des Kopfstückes. Beim Passieren des Kopfstückes mit der Vorform und der Matrize darauf durch einen Ofen schmilzt die Vorform und das Löt­ mittel fließt durch Kapillarwirkung zwischen die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Matrize und des Kopf­ stückes und füllt den Raum zwischen den Oberflächen. Das Fließen des Lötmittels zu den Oberflächen und zwischen die Oberflächen kann die Austreibung der Gase zwischen den Ober­ flächen unterstützen. Als Modifikation zu der vorstehend beschriebenen Technik hat Weston auch vorgeschlagen, die beiden Lötmittel-Vorformen an im Abstand voneinander ange­ ordneten Stellen auf der Trägeroberfläche des Kopfstückes anzuordnen und die Matrize auf den Vorformen anzuordnen wobei die peripheren Abschnitte der Vorformen die peripheren Abschnitte der Matrize unterstützen (tragen). Das Einfließen des Lötmittels seitlich in den Zwischenraum zwischen den Vorformen bewirkt, daß die Gase aus dem Raum zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen verdrängt werden.
Obwohl die Techniken, bei denen zwei im Abstand voneinander angeordnete Vorformen verwendet werden, den Vorteil einer verminderten Hohlraumbildung bieten, treten bei diesen Techni­ ken auch signifikante praktische Nachteile auf. Erstens ist durch die Verwendung von zwei Vorformen eine beträchtliche Zusammenbauzeit bei der Vorbereitung für das Erhitzen erfor­ derlich. Insbesondere müssen die Vorformen sehr genau auf der Kopfstück-Trägeroberfläche positioniert werden, bevor die Halbleitermatrize aufgebracht wird. Dies ist eine sehr zeitraubende und damit kostspielige Operation. Außerdem kann es dann, wenn solche Vorformen auf dem Kopfstück weitgehend oder vollständig lateral benachbart zu der Matrize angeord­ net werden, wie vorstehend erörtert, schwierig sein, die Lötmittelmenge, die letztlich die Verbindung bildet, genau zu kontrollieren, da das Lötmittel fließen gelassen wird und auch jenseits des Matrizenumfangs verbleiben kann. Außerdem können auch seitlich nebeneinander angeordnete Vorformen zu Problemen mit der Matrizenverschiebung führen. Die letzte­ ren beiden der obengenannten Nachteile sind natürlich auch dann von Belang, wenn nur eine einzige lateral angeordnete Vorform vorliegt. Schließlich sind, worauf in bezug auf die Vorformen allgemein bereits hingewiesen worden ist, die Vorformen mit diesen vorgeschlagenen Verbesserungen in der Regel sehr dünn und schwierig zu handhaben.
Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß eine Lötmittel-Ver­ bindung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie mit einer ausgezeichneten mechanischen Festigkeit erzielt werden kann durch Verwendung einer einzigen Lötmittel-Vorform (Preform) mit einer neuen Konfiguration, die zwischen den beiden miteinander zu ver­ bindenden Oberflächen angeordnet wird. Die Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorform bewirkt, daß Gase zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen verdrängt werden, wenn das Lötmittelmaterial fließt, wodurch die Hohlraumbildung minimal gehalten wird. Da das Verbinden mit nur einer einzigen Vorform bewirkt wird, werden auch die zeitraubenden Positio­ nieranforderungen der Mehrfach-Vorform-Techniken vermieden. Wie nachstehend näher erläutert, wird durch die erfindungsge­ mäßen Lötmittel-Vorformen auch die Matrizenverschiebung we­ sentlich vermindert und sie können eine höhere Dicke, ver­ glichen mit den bekannten Vorformen, haben, so daß sie leicht zu handhaben sind.
Gemäß einem ihrer breiten Aspekte betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere eine Lötmittel-Vorform aus einem Körper aus einem Lötmittel-Material mit mindestens drei Stegen, die sich von einem im allgemeinen zentralen Basisabschnitt aus nach außen erstrecken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form ist die Vorform im wesentlichen eben (flach) und weist längliche Stege auf, die sich von dem Basisabschnitt radial nach außen erstrecken und gegenüber dem Basisabschnitt freie Enden aufweisen. Bei einer besonders bevorzugten Aus­ führungsform weist die Vorform vier radial nach außen sich erstreckende Stege auf, die unter 90°-Winkeln um den Basisab­ schnitt herum angeordnet sind.
Gemäß einem anderen seiner breiten Aspekte betrifft die vor­ liegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von lötbaren Oberflächen, bei dem man eine Lötmittel-Vorform mit einer Konfiguration, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, bereitstellt, die Vorform zwischen den miteinander zu verbin­ denden lötbaren Oberflächen so anordnet, daß die Oberflächen mit der Vorform in Kontakt stehen, die Vorform einer Tempera­ tur oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmittelmaterials aussetzt, um zu bewirken, daß das Material zwischen die miteinander zu verbindenden Oberflächen fließt, und das verlaufene Lötmittelmaterial kühlt, um es zum Erstarren zu bringen und dadurch die obengenannten Oberflächen mit­ einander zu verbinden. Bei einer bevorzugten Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die miteinander zu verbindenden Oberflächen lötbare Oberflächen eines Halb­ leiter-Chips (d.h. einer Matrize) und einer Trägerstruktur (wie z.B. eines Kopfstückes). Die Oberfläche der Trägerstruk­ tur ist im wesentlichen in einer horizontalen Ebene orien­ tiert und die Vorform wird dann mit ihren Stegen flach auf diese Oberfläche gelegt. Die lötbare Oberfläche der Matrize wird dann auf die Vorform gelegt, so daß sie flach auf den Stegen der Vorform ruht. Die obengenannte Anordnung wird dann erhitzt und abgekühlt, um die Verbindung zu erzielen.
Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
Fig. 1 eine ebene Draufsicht auf eine Halbleiter-Matrizen­ und -Kopfstück-Anordnung eines Leistungstransistors;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Lötmittel-Vorform, welche die Art der Anordnung der Vorform mit der Matrize und dem Kopfstück der Fig. 1 vor dem Verbinden der Matrize mit dem Kopfstück zeigt; und
Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf die Anordnung der Vorform, der Matrize und des Kopfstückes vor dem Verbinden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Verbinden einer Halbleiter-Matrize mit einem Kopfstück in einem Leistungstransistor näher erläutert. Der hier be­ schriebene Leistungstransistor hat einen konventionellen Aufbau, wobei die vorliegende Erfindung insbesondere auf den Zusammenbau des Transistors anwendbar ist. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ist die erläuterte Transistorvorrichtung lediglich ein Beispiel für den brei­ ten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen und allgemein beim Verbinden beliebiger lötbarer Oberflächen miteinander. Es ist selbstverständlich, daß die Hinweise auf ein Lötmit­ tel, das Verlöten und dgl., wie sie hier zu finden sind, in einem breiten Sinne zu verstehen sind, d.h. auch das Ver­ binden von Metalloberflächen mittels eines Füllmetalls um­ fassen. Diese Hinweise sind daher so zu verstehen, daß sie sowohl das Niedertemperaturlöten, das in der Regel insbeson­ dere als Weichlöten bezeichnet wird, als auch das Hochtempera­ tur-Löten, das in der Regel als Hartlöten bezeichnet wird, umfassen.
Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen konventionellen Leistungstransistor 10. Das Gehäuse des Transistors ist in der Zeichnung weggelassen, um die inneren Komponenten des Transistors zu erläutern. Das Transistor-Kopfstück (header), das eine Standardkonfiguration hat, die im Handel als TO-3 bezeichnet wird, umfaßt eine Basisplatte 12 aus Stahl, die beispielsweise ein Paar Befestigungsöffnungen 14 aufweist, durch die Schrauben oder andere geeignete Befestigungseinrich­ tungen hindurchgeführt werden können. Eine Metall-Wärmesink­ stelle 16, die aus mit Nickel elektroplattiertem Kupfer be­ stehen kann, ist auf konventionelle Weise mit der oberen Oberfläche der Basisplatte 12 verbunden. Ein Wärmeverteiler 18 in Form einer Scheibe ist mit der oberen Oberfläche der Wärmesinkstelle 16 ebenfalls auf konventionelle Weise ver­ bunden. Die Scheibe kann wie die Wärmesinkstelle 16 aus Kupfer mit einem Überzug aus einer Nickelelektroplattierung bestehen.
Zusätzlich zu der soeben beschriebenen Kopfstück-Struktur umfaßt der Transistor 10, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, eine Halbleiter-Matrize (die) 20, die mit einer Trägerober­ fläche des Kopfstückes verbunden ist. Insbesondere ist die Matrize 20 mit der oberen Oberfläche 19 des Wärmeverteilers 18 verbunden. In der dargestellten Form ist die Matrize 20 rechteckig; die Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf andere Matrizenformen (beispielsweise kreisförmige Matrizen), wie aus den nachstehenden Ausführungen hervorgeht. Die Art und Weise, in der die Matrize und der Wärmeverteiler erfin­ dungsgemäß miteinander verbunden werden können, wird nach­ stehend im Detail beschrieben. Es wird angenommen, daß die Matrize 20 den üblichen Halbleiter-Wafer-Abschnitt umfaßt, der das Transistorelement der Vorrichtung 10 darstellt, mit einem metallisierten Überzug, der mit seiner Unterfläche verbunden ist. Der Überzug kann beispielsweise bestehen aus einer Molybdän-Mangan-Legierung mit einer darüberliegenden Nickelplattierung, um die Lötbarkeit zu fördern. Es wird ferner angenommen, daß, wie es typisch ist, der Kollektor­ bereich des Transistorelements elektrisch verbunden ist mit dem Kopfteil über die metallisierte Matrizen-Unterfläche und die Lötmittel-Verbindung mit dem Wärmeverteiler 18. Die Ver­ bindungen (Anschlüsse) mit den Basis- und Emitter-Bereichen des Transistorelements werden bewirkt durch Drähte 22, die beispielsweise durch Ultraschallverbinden mit entsprechenden metallisierten Verbindungspunkten (Anschlußpunkten) auf der oberen Oberfläche der Matrize verbunden sind und die mit entsprechenden Verbindungsstreben 24 verbunden sind, die auf übliche Weise in den jeweiligen Öffnungen 26 der Basisplatte 12 abdichtend befestigt sind.
Eine praktische Ausführungsform eines Leistungstransistors gemäß der vorstehenden Beschreibung könnte die folgenden Parameter aufweisen:
Wärmesinkstelle16 mm (0,63 inch) Länge
12,7 mm (0,5 inch) Breite
1,3 mm (0,05 inch) Dicke
0,0025 mm (0,0001 inch) Plattierungsdicke Wärmeverteiler11,1 mm (0,438 inch) Durchmesser
0,51 mm (0,02 inch) Dicke
0,0025 mm (0,0001 inch) Plattierungsdicke Matrize5,2 mm×4,7 mm (0,204 inch · 0,186 inch)
Es ist klar, daß die vorstehend angegebenen Aufbaumaterialien und Dimensionsparameter für die Komponenten des Transistors 10 lediglich beispielhaft sind und daß sie in der Praxis variieren in Abhängigkeit von den Aufbaukriterien bei einer speziellen Anwendung. Natürlich variieren auch die Aufbauma­ terialien und die Aufbaudetails in Abhängigkeit vom Typ der zusammenzubauenden Komponenten. In vielen Fällen liegt bei­ spielsweise eine Matrize direkt auf einer Wärmesinkstelle, ohne daß ein dazwischenliegender Wärmeverteiler verwendet wird. Bei der erläuterten Ausführungsform erleichtert die Wärmevertei­ ler/Wärmesinkstellen-Anordnung das Befestigen zusätzlicher Komponenten in der Vorrichtung, wie z.B. eines RC-Zeitverzö­ gerungs-Leitungsnetzes oder einer Schmelzeinrichtung für den Transistor.
Typische Aufbaumaterialien für das Matrizen-Trägerelement (d.h. den Wärmeverteiler oder die Wärmesinkstelle) sind in der Praxis beispielsweise Aluminium, Kupfer, metallisiertes Aluminiumoxid oder Berylliumoxid mit einem Überzug aus Nickel oder Gold zur Erzielung einer Lötbarkeit. Halbleiter-Matrizen sind in der Regel aus Materialien wie Silicium oder Germanium aufgebaut mit einem metallisierten Bindungsunterflächenüber­ zug aus einer Molybdän/Mangan-Legierung oder einem ähnlichen leitenden Material, das mit Nickel oder Gold plattiert ist, um es lötbar zu machen. Weitere Angaben bezüglich der Aufbau­ materialien und anderer Aufbaudetails sind zu finden in dem vor kurzem erschienenen Artikel von H. Taraseiskey "Custom Power Hybrids", Solid State Technology, Oktober 1985, Seiten 111-117.
Die Fig. 2 zeigt eine Lötmittel-Vorform 30 gemäß der Erfin­ dung und die Art, in der die Vorform in bezug auf den Wärme­ verteiler 18 und die Matrize 20 bei der Vorbereitung der Lötung angeordnet ist. Die dargestellte Vorform 30 umfaßt einen Körper aus einem geeigneten Lötmittelmaterial zum Verbinden des Wärmeverteilers 18 mit der Matrize 20 (aus beispielsweise 63% Zinn und 37% Blei), wobei der Körper vier Stege 34 von gleicher Länge aufweist, die sich von einem zentralen Basisabschnitt 32, der durch gestrichelte Linien in der Fig. 2 dargestellt ist, nach außen erstrecken. Die Vorform 30 ist vorzugsweise praktisch eben (flach), wie dargestellt, so daß sie zwischen und in ebenem (flachem) Kontakt mit der Oberfläche 19 des Wärmeverteilers und der Unterfläche der Matrize 20 angeordnet werden kann. Bei der Vorform 30 kann es sich somit um den Körper einer Lötmittelfolie handeln, die beispielsweise hergestellt wird durch Stanzen der Folie durch eine entsprechend geformte Matrize. Die Lötmittelzusammensetzung variiert natürlich in Abhängigkeit von den Aufbauanforderungen, in der Regel handelt es sich dabei jedoch um eine Legierung, die aus mindestens zwei der Metalle Blei, Zinn, Silber, Gold und Indium besteht. Beispielhafte Lötmittellegierungszusammen­ setzungen sind in dem obengenannten Artikel von Taraseiskey angegeben.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Stege 34 des Lötmittelkörpers 30 langgestreckt und erstrecken sich von dem Basisabschnitt 32 aus radial nach außen. Die Stege weisen jeweils freie Enden mit dem Querschnitt eines gleichschenkli­ gen rechtwinkligen Dreiecks auf gegenüber dem Basisabschnitt, wie dargestellt. Der Dreiecksquerschnitt der freien Enden der Stege 34 vereinfacht die Herstellung einer Matrize zum Ausstanzen der Vorform und gewährleistet, daß die ausge­ stanzte Vorform eben (flach) ist. Als freie Enden der Stege können auch andere Formen angewendet werden, dadurch wird die Herstellung und Handhabung jedoch nicht erleichtert. Quadrati­ sche Enden beispielsweise sind zwar innerhalb der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenfalls anwendbar, bei ihnen besteht jedoch die Gefahr, daß sie sich an den Ecken wäh­ rend des Ausstanzens umbiegen und somit eine kostspieligere Matrize erfordern.
Zur Vorbereitung des Anlötens der Matrize 20 an den Wärmever­ teiler 18 wird die Kopfstück-Struktur des Transistors 10 so ausgerichtet, daß die obere Oberfläche 19 des Wärmever­ teilers in einer im wesentlichen horizontalen Ebene liegt. Die Vorform 30 wird dann eben (flach) auf die Oberfläche 19 gelegt, wie in der Fig. 2 als Phantombild dargestellt. Danach wird die Matrize 20 auf die Vorform 30 gelegt, wie durch die vertikalen strichpunktieren Linien in der Fig. 2 angezeigt, wobei die metallisierte Unterfläche der Matrize flach (eben) auf der Vorform liegt.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die zusammengebauten Komponenten, wie sie vorstehend beschrieben worden sind. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, ist die Matrize 20 konzen­ trisch auf die Vorform 30 gelegt worden, wobei die Stege der Vorform zentral unter den Diagonalen der Matrize liegen. In der Praxis kann die Matrize so auf die Vorform gelegt werden, daß die Stege der Vorform in beliebiger Weise orientiert (ausgerichtet) sind, wie sie bei einer speziellen Anwendung erwünscht sein kann, wobei die dargestellte Orientierung nur ein Beispiel ist. So kann es beispielsweise zweckmäßiger oder anderweitig vom Produktionsstandpunkt her betrachtet in einigen Fällen mehr erwünscht sein, daß die Vorform so angeordnet ist, daß ihre Stege parallel zu den Umfangsrän­ dern der Matrize verlaufen oder daß der Basisabschnitt der Vorform nicht genau unter der Matrize zentral angeordnet ist.
In dem dargestellten Beispiel haben die Stege 34 der Vorform 30 eine ausreichende Länge, so daß die dreieckigen freien Enden gerade etwas über die Ecken der Matrize 20 vorstehen, wie dargestellt. Durch Verwendung einer so dimensionierten Vorform ist es möglich, eine falsche Ausrichtung zwischen der Matrize, der Vorform und dem Kopfstück gegenüber einer gewünschten Anordnung festzustellen. Bei der Massenproduk­ tion dienen außerdem die vorstehenden Teile der Vorform dazu, anzuzeigen, wann der Vorrat an Vorformen erschöpft ist. Insbesondere dann, wenn die vorstehenden Abschnitte auf der Zusammenbauanlage nicht beobachtet werden könnten, würde eine Erschöpfung des Vorrates angezeigt werden.
Es ist festzustellen, daß die Vorform 30 das gesamte Lötmit­ tel enthält, das in der fertigen Verbindungsstelle zwischen der Oberfläche 19 des Wärmeverteilers und der Unterfläche der Matrize 20 vorhanden sein muß. Da das Lötmittel in dem klei­ nen Bereich der Stege 34 konzentriert ist, kann die Vorform 30 dicker gemacht werden als eine konventionelle geometrische Voll-Vorform (beispielsweise eine rechteckige Voll-Vorform), welche die gleiche Menge Lötmittel enthält. Die erhöhte Dicke der Vorform 30 macht sie leicht handhabbar und weniger anfällig für Beschädigungen. Es wurde gefunden, daß erfin­ dungsgemäße Vorformen beispielsweise mit Vakuumsonden leicht gehandhabt werden können.
Für die weiter oben erwähnte 5,2 mm × 4,7 mm (0,204 inch × 0,186 inch) große Matrize wären geeignete Dimensionen für die Vorform 30 die folgenden:
Steglänge von der Basis bis zur Spitze3,2 mm (0,127 inch) Stegbreite1,1 mm (0,043 inch) Dimensionen des Basisabschnittes1,1 mm (0,043 inch) im Quadrat Lötmittel-Dicke0,01 mm (0,0039 inch)
Wie ersichtlich, weist eine Vorform mit den vorstehend an­ gegebenen Dimensionen eine Steglänge auf, die im wesentlichen das Dreifache der Stegbreite beträgt, wobei die Stegbreite gleich ist dem Abstand zwischen den einander gegenüberliegen­ den Seiten des Basisabschnitt-Umfanges. Hinsichtlich der Matrizen-Seitenlänge ist daraus zu ersehen, daß die Stegbreite etwa 21% der längeren Matrizen-Seitenlänge und etwa 23% der kürzeren Seitenlänge beträgt. Wie aus den obigen Dimen­ sionen leicht errechnet werden kann, macht bei der Vorform, die zentral unterhalb der Matrize angeordnet ist, wie in der Fig. 3 dargestellt, die offene Fläche unterhalb der Ma­ trize (d.h. die Fläche zwischen den durch die Matrize über­ brückten Vorform-Stegen) im wesentlichen 50% der Größe der Matrizen-Unterfläche aus.
Um eine Verbindung zwischen dem Kopfstück und der Matrize des Transistors 10 zu erzielen, werden diese Komponenten, wobei die Vorform zwischen ihren zwei lötbaren Oberflächen angeordnet ist, auf übliche Weise durch einen Ofen mit einer kontrollierten Atmosphäre geführt. In dem dargestellten Bei­ spiel ist kein Flußmittel erforderlich; bei einigen Anwen­ dungen kann jedoch ein Flußmittel erwünscht sein. Der Ofen, der eine übliche Atmosphäre aus Wasserstoff oder einem For­ miergas, die bei einem Taupunkt von -40°C oder weniger gehalten wird, enthält, erwärmt die zusammengebauten Kompo­ nenten in einer kontrollierten Rate auf etwa 20°C oberhalb des Lötmittel-Schmelzpunktes, wobei die Haltedauer oberhalb des Schmelzpunktes etwa 3 min beträgt. Die Anordnung wird dann in einer Rate von etwa 100°C pro Minute auf Umge­ bungstemperatur abgekühlt, um das Lötmittel zum Erstarren zu bringen und die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Matrize und des Kopfstückes wirksam miteinander zu ver­ binden.
Während die Anordnung eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunk­ tes des Lötmittels hat, schmilzt die Vorform 30 und fließt durch Kapillarwirkung zwischen die einander gegenüberliegen­ den Oberflächen des Kopfstückes und der Matrize. Insbeson­ dere fließt dann, wenn die Vorform schmilzt, das Material der Stege 34 und des Basisabschnittes 32 in die offenen Bereiche zwischen den Stegen 34 und nach außen in Richtung auf den Umfang der Matrize. Das Lötmittel fließt, wie in der Fig. 3 allgemein durch gestrichelte Pfeile angegeben. Da die Bereiche zwischen den Stegen 34 nach außen offen sind, ergibt sich daraus, daß der nach außen gerichtete Strom des Lötmittels auf diese Weise irgendwelche Gase in diesen Bereichen aus der Matrize hinaus verdrängt. Außerdem können Gase zwischen der Vorform und den Oberflächenabschnitten des Kopfstückes und der Matrize, die in Kontakt mit der Vorform stehen, in diese offenen Bereiche entweichen, wenn die Vorform zu schmelzen beginnt, und danach werden sie nach außen verdrängt aus dem Raum zwischen dem Kopfstück und der Matrize zusam­ men mit anderen Gasen, wenn das Lötmittel nach außen fließt. Auf diese Weise wird die resultierende Lötmittelverbindung im wesentlichen frei von Hohlräumen und sie weist deshalb eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleit­ fähigkeit sowie eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf.
Zusätzlich zu den obengenannten Vorteilen bietet die Vorform 30 in der Praxis auch andere sehr signifikante Vorteile. So gestatten beispielsweise die Zwischenräume zwischen den Stegen 34 den Zugang der Ofenatmosphäre zwischen den löt­ baren Oberflächen der Matrize und dem Kopfstück vor dem Schmelzen der Vorform, so daß das Ofengas die Oberflächen vor dem Verbinden reinigen kann. Die Vorform 30 bietet auch den Vorteil einer genauen Kontrolle der Menge und Dicke des Lötmittels, das die Oberflächen der Matrize und des Kopf­ stückes miteinander verbindet. Dies ist möglich, weil das Volumen der Vorform weitgehend unterhalb der Matrize ange­ ordnet ist und nicht ausfließt auf die Trägeroberfläche des Kopfstückes (d.h. die obere Oberfläche 19 des Wärmeverteilers) wesentlich über den Umfang der Matrize hinaus. Ein anderer Vorteil der Mehrfach-Steg-Struktur der Vorform 30 besteht darin, daß die Möglichkeit einer Matrizenverschiebung ver­ mindert ist. Insbesondere hat die Vorform aufgrund ihrer Symmetrie und der gleichmäßigen Einwirkung der Ofenatmosphä­ re (alle Stege und die Basisplatte sind ihr ausgesetzt) die Neigung, gleichmäßig zu schmelzen. Wenn ein Steg etwas vor­ zeitig zu schmelzen beginnen sollte, bilden außerdem die verbleibenden Stege weiterhin den Träger (die Unterlage) für die Matrize und verhindern somit eine Verschiebung.
Wie aus dem vorstehenden Beispiel hervorgeht, ist eine Löt­ mittel-Vorform gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut auf der Basis bestimmter genereller Erwägungen, die unter anderem umfassen die Bereitstellung eines geeigneten Trä­ gers für die Matrize, die Minimalhaltung der Kontaktfläche zwischen der Vorform und den lötbaren Oberflächen, um das Einschließen von Gasen zwischen der Vorform und den Ober­ flächen zu vermeiden, die Bereitstellung eines Weges zum Entweichen der Gase aus dem Raum zwischen den Oberflächen während des Verbindens und allgemein einen nach außen gerichteten Lötmittelfluß, um die Gase aus dem Raum zwischen den Oberflächen herauszudrängen.
Bei irgendeiner gegebenen Anwendung können zahlreiche Vorform- Konfigurationen den obengenannten Erwägungen ausreichend genügen, um eine völlig zufriedenstellende Lötmittelverbin­ dung zu ergeben. So hätte beispielsweise in der vorstehend beschriebenen beispielhaften Anwendung auch eine Vorform mit drei Stegen (die beispielsweise unter Winkeln von 120° radial von einem zentralen Basisabschnitt ausgehen) verwen­ det werden können; und obgleich eine ausreichende Verbin­ dung mit einer solchen Vorform erzielbar wäre, wird eine Form mit vier Stegen vorzugsweise auf den stabileren Träger gelegt, der im Falle eines vorzeitigen Schmelzens eines Stegs vorzusehen ist (drei verbleibende Träger-Stege anstelle von zweien). Obgleich es allgemein bevorzugt ist, daß die Vorform symmetrisch ist mit Stegen, die von einem Basisab­ schnitt im Zentrum nach außen radial vorstehen, um die Fläche des Basisabschnittes minimal zu halten und einen einheitlichen Lötmittelfluß nach außen zu erzielen, sind diese Eigenschaften nicht erforderlich. Insbesondere ist es häufig möglich, eine gute Lötmittel-Verbindung zu erzielen, wenn der Basisabschnitt im allgemeinen gerade in Richtung auf das Zentrum der Vorform liegt, wobei die Stege nach außen darüber vorstehen. Ein allgemein nach außen gerich­ teter Lötmittelfluß wird in einem solchen Falle noch erhal­ ten, obgleich die Qualität der resultierenden Verbindungs­ stelle nicht optimal sein kann. Als Anzahl der Stege können mehr oder weniger als die beispielhaft genannten vier er­ wünscht sein, je nach den Anforderungen bei einer speziellen Anwendung. Im allgemeinen sind dann, wenn die Größe der miteinander zu verbindenden Oberflächen ansteigt, mehr Stege erwünscht, um mehr Träger sowie zusätzliches Lötmittel zu erhalten, um die weitere Oberflächengröße, die verbunden werden soll, zu bedecken. In jedem Falle sollten mindestens drei Stege verwendet werden, um den gewünschten Strom nach außen und einen Oberflächenträger zu erhalten. Zwei Stege oder beispielsweise eine "V"-Form, können oder brauchen nicht einen ausreichenden Träger zu ergeben, es entsteht jedoch nicht der gewünschte nach außen gerichtete Strom des Löt­ mittels aus einem allgemein zentralen Abschnitt der Vorform. Schließlich wird in Verbindung mit den Vorform-Stegen durch Konfigurationen aus einem geraden Steg mit freien Enden, die dem Basisabschnitt gegenüberliegen, wie in der darge­ stellten Ausführungsform erläutert, die Möglichkeit des Einfangens von Gasen zwischen den miteinander zu verbin­ denden Oberflächen minimal gehalten.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sowie zahlreiche mögliche Modifikationen, die für den Fachmann ohne weiteres ersicht­ lich sind.
Die hier verwendeten Ausdrücke "Lötmittel" und "lötbar" werden in ihrem breitesten Umfang verwendet und sie umfassen sowohl Niedertemperatur (Weichlöt)-Anwendungen als auch Hochtem­ peratur (Hartlöt)-Anwendungen.

Claims (39)

1. Lötmittel-Vorform für die Verwendung zum Verbinden von zwei lötbaren Oberflächen miteinander, gekenn­ zeichnet durch einen Körper aus einer Lötmittel- Folie mit mindestens drei Stegen, die sich von einem im allgemeinen zentralen Basisabschnitt nach außen erstrecken und die eine wesentlich größere Länge als Breite haben.
2. Lötmittel-Vorform nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Steg eine Länge hat, die im wesent­ lichen das Dreifache seiner Breite beträgt.
3. Lötmittel-Vorform nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege im wesentlichen die gleiche Länge haben.
4. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im wesentlichen symmetrisch zu dem Basisabschnitt angeordnet sind.
5. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im wesentlichen gerade sind.
6. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege solche umfassen, die im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
7. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Breite hat, die im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten des Umfangs des Basisabschnitts ist.
8. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen eben ist und daß die Stege im wesentlichen gerade sind und je­ weils freie Enden aufweisen.
9. Lötmittel-Vorform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Steg eine Länge hat, die im wesentlichen dem Dreifachen seiner Breite entspricht.
10. Lötmittel-Vorform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stege im wesentlichen die gleiche Länge haben.
11. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Breite hat, die im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten des Umfangs des Basisabschnittes ist.
12. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege sich radial von dem Basisabschnitt nach außen erstrecken.
13. Lötmittel-Vorform nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie vier Stege aufweist, die im wesentlichen unter Winkeln von 90° um den Basisabschnitt herum ange­ ordnet sind.
14. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Stege dreieckig sind.
15. Lötmittel-Vorform nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen eine Dicke von 0,01 mm (0,0039 inches) hat.
16. Verfahren zum Verbinden von zwei im wesentlichen ebenen lötbaren Oberflächen, das die folgenden Stufen um­ faßt:
Bereitstellung einer Lötmittel-Vorform, die einen Körper aus einer Lötmittel-Folie mit mindestens drei sich von einem Basisabschnitt des Körpers nach außen erstreckenden Stegen aufweist,
Anordnung des Körpers zwischen den Oberflächen, wobei die Oberflächen jeweils in Kontakt stehen mit den Stegen an einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers und die Flä­ chen zwischen den Stegen überbrücken,
Erhitzen des Körpers auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Lötmittel-Folie, um zu bewirken, daß die Folie zwischen den Oberflächen in die offenen Bereiche in einer Richtung im allgemeinen weg von dem Basisabschnitt fließt, und
Abkühlen der verlaufenen Lötmittel-Folie, um sie zum Er­ starren zu bringen und dadurch die Oberflächen miteinander zu verbinden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen die Oberflächen mit dem dazwischen ange­ ordneten Körper in einen beheizten Ofen eingeführt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Oberflächen in einer im wesentlichen horizon­ talen Ebene angeordnet wird, daß der Körper auf diese eine Oberfläche gelegt wird und die andere dieser Oberflächen auf den Körper gelegt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper so angeordnet wird, daß die Oberflächen jeweils in im wesentlichen ebenem Kontakt mit den Stegen vorliegen.
20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Breite hat, die im wesentlichen 21% des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Rändern einer der Oberflächen entspricht.
21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Oberflächen überbrückten offenen Flächen im wesentlichen 50% der Fläche einer der Oberflächen aus­ machen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im wesentlichen gerade sind.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine wesentlich größere Länge als Breite hat.
24. Verfahren zur Befestigung einer lötbaren Oberfläche einer Halbleiter-Matrize an einer lötbaren Oberfläche einer Trägerstruktur, das die folgenden Stufen umfaßt: Bereitstellung einer Lötmittel-Vorform aus einem Kör­ per einer Lötmittel-Folie mit mindestens drei Stegen, die jeweils eine wesentlich größere Länge als Breite haben und sich von einem im allgemeinen zentralen Basisabschnitt des Kör­ pers nach außen erstrecken und jeweils freie Enden aufweisen, im wesentlichen ebenes (flaches) Anordnen des Körpers gegen­ über den jeweiligen lötbaren Oberflächen der Matrize und der Trägerstruktur, wobei die jeweiligen Oberflächen an gegen­ überliegenden Seiten des Körpers liegen und die offenen Berei­ che zwischen den Stegen überbrücken,
Erhitzen des Körpers auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Lötmittel-Folie, um zu bewirken, daß die Lötmittel-Folie durch Kapillarwirkung zwischen den Oberflächen in die offenen Bereiche und im allgemeinen weg von dem Basisabschnitt in Richtung auf den Umfang der Oberfläche der Matrize fließt und
Abkühlen der verlaufenen Lötmittel-Folie, um sie zum Er­ starren zu bringen und dadurch die Oberflächen miteinander zu verbinden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Trägerstruktur in einer im wesentli­ chen horizontalen Ebene angeordnet wird, daß der Körper auf diese Oberfläche gelegt wird und daß die Oberfläche der Matrize auf den Körper gelegt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize und der Körper relativ zueinander so ange­ ordnet werden, daß die Stege sich etwas über den Umfang der Oberfläche der Matrize hinaus erstrecken.
27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen die Matrize und die Trägerstruktur mit dem zwischen ihren Oberflächen angeordneten Körper in einen beheizten Ofen eingeführt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Breite hat, die im wesentlichen 21% des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Rändern der Oberfläche der Matrize ent­ spricht.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Oberflächen überbrückten offenen Flächen im wesentlichen 50% der Fläche der Ober­ fläche der Matrize darstellen.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Breite hat, die im we­ sentlichen gleich dem Abstand zwischen den einander gegen­ überliegenden Seiten des Umfangs des Basisabschnitts ist.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im wesentlichen gerade sind.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg eine Länge hat, die im wesentlichen dem Drei­ fachen seiner Breite entspricht.
33. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg im wesentlichen eine Breite von 1,1 mm (0,043 inches) hat.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg im wesentlichen eine Länge von 3,2 mm (0,127 inches) hat.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege sich von dem Basisabschnitt radial nach außen erstrecken.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper vier Stege aufweist, die im wesentlichen unter Winkeln von 90° um den Basisabschnitt herum angeordnet sind.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im wesentlichen symmetrisch zu dem Basisabschnitt angeordnet sind.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen eben (flach) ist.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen 0,01 mm (0,0039 inches) dick ist.
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