DE4241439A1 - Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Verbindern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Verbindern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Verbin­ dern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen, insbesondere von zur Serien- und/oder Parallelschaltung von Solarzellen dienenden Verbindern und Solarzellenkon­ takten.
Es ist bekannt, metallische Verbinder und metallische Kon­ takte von Halbleiteroberflächen durch Löt- oder Schweiß­ verfahren miteinander zu verbinden. Während es bei derar­ tigen, durch Löten hergestellten Verbindungen von Nachteil ist, daß diese keiner hohen Temperaturbelastung und nur wenigen Temperaturwechseln ausgesetzt werden können, ist es bei geschweißten Verbindungen nachteilig, daß die Halb­ leiter verhältnismäßig großen Anpreßdrücken und infolge der hohen Schweißtemperaturen einem Temperaturschock un­ terliegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Erzeugung einer zuverlässigen formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Verbindern und metalli­ schen Halbleiterkontakten zu schaffen, die eine lange Le­ bensdauer aufweist und eine große Anzahl von Temperatur­ wechseln übersteht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfah­ rensschritte gelöst:
  • a) zwischen einem Verbinder und einem Kontakt wird eine Zwischenschicht aus einem gegenüber dem Verbinder und metallischen Kontakt niedrigschmelzendem Metall ange­ ordnet,
  • b) der höherschmelzende Verbinder, die niedrigschmelzende Zwischenschicht und der höherschmelzende Kontakt werden miteinander in Berührung gebracht und unter einem vor­ gegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlauf auf bzw. über die Schmelztemperatur der Zwischenschicht derart erwärmt, daß die flüssige Zwischenschicht die Fügeober­ flächen von Verbinder und Kontakt benetzt,
  • c) daß durch Diffusion der verschwindenden flüssigen Zwi­ schenschicht in den Verbinder und Kontakt eine interme­ tallische Phase vom Material der Zwischenschicht und des zu fügenden Verbinders und Kontakts gebildet wird, und
  • d) daß abschließend durch Abkühlung und Erstarrung während des vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlaufes die formschlüssige Verbindung zwischen Verbinder und Kontakt hergestellt wird, deren Schmelztemperatur höher ist, als die der ursprünglichen Zwischenschicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches als isotherme Er­ starrung bezeichnet wird, kann als Fügeverfahren nicht eindeutig den Löt- oder den Schweißprozessen zugeordnet werden. Verfahrensprinzip ist die Erzeugung einer form­ schlüssigen Verbindung zwischen zwei Fügepartnern aus höherschmelzenden Metallen unter Zuhilfenahme einer ver­ schwindenden flüssigen Zwischenschicht aus einem niedrig­ schmelzenden Metall. Der Prozeßverlauf wird am Beispiel des Systems Cu-Sn-Cu verdeutlicht. Die auf den koplanaren Fügeflächen mit dünnen Schichten von Zinn versehenen Kup­ ferteile werden in Kontakt gebracht und über die Schmelz temperatur Ts des Zinns erwärmt. Die dünne Schmelzschicht benetzt die Fügeteile. Durch Diffusion von Zinn in das Kup­ fer bildet sich zunächst die intermetallische Phase Cu3Sn unter Aufzehrung der schmelzflüssigen Phase. Hier­ durch entsteht eine Festkörper-Verbindung. Bei weiterer Temperatureinwirkung, zum Beispiel bei der Verwendung der hergestellten Festkörper-Verbindung unter erhöhten Tempe­ raturen, wird dann die intermetallische Phase mit höherem Cu-Gehalt, Cu6Sn5 gebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt folgende Vorteile mit sich:
  • - Kontaktierung bei niedrigen Temperaturen von 160 bis 450°C, die dem Löten entsprechen.
  • - Hohe Temperaturstabilität der Verbindungen, da die Schmelztemperatur Ts intermetallischer Phasen um 100 bis 300 K über der Fügetemperatur liegt.
  • - Große Festigkeit der Verbindungen wegen geringer Verform­ barkeit der intermetallischen Phasen.
  • - Geringe mechanische Belastung der Bauteile durch gerin­ gen Anpreßdruck.
Die Suche nach geeigneten binären Systemen für das obige Verfahren, bestehend aus einem hoch- und einem niedrig­ schmelzenden Metall, wurde unter den Randbedingungen der Kontaktierung von Solarzellen vorgenommen, wobei folgende Kriterien beachtet wurden:
  • - geringster Schmelzpunkt des Systems Ts < 400°C,
  • - Bildung von hochlegierten Mischkristallen bzw. interme­ tallische Phasen,
  • - Vollständigkeit des Systems, und führte dazu, daß gemäß Ausgestaltungen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens als niedrigschmelzende Zwischenschicht Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 450°C verwendet wer­ den, wie Bi, Cd, Ga, In, Pb, Sn oder Zn, und daß als höher­ schmelzende Verbinder und Kontakte Metalle wie Ag, Au, Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ir, Os, Re, Rh oder Ru verwendet werden.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen dahin, daß die Schmelztemperatur und der vorgegebene Anpreßdruck mittels einer Druck-Heiz-Zeit-Vorrichtung auf­ gebracht werden, wobei eine Vorrichtung mit einer Anpreß­ fläche von 0,5 mm × 7 mm, deren Temperaturbereich von 100 bis 500°C um 3K regelbar ist, verwendet werden kann, oder dahin, daß die Schmelztemperatur in einem Ofen bei gleichzeitiger Aufbringung des Anpreßdruckes mittels einer mechanischen Druckvorrichtung aufgebracht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit seinen erfinderischen Ausgestaltungen eignet sich in vorteilhafterweise zur Her­ stellung von Verbindungen zwischen Dünnschichten. Hier­ bei erfolgt das Wachstum der gebildeten intermetallischen Phasen in Dünnschichtpaaren nicht in ebener Front, sondern in Form noppenartiger (CuSn) oder stengeliger (NiSn) Ein­ kristalle. Es wird näherungsweise durch ein parabolisches Gesetz in Form
di = k × tn
beschrieben, wobei die Werte von n für Cu6Sn5 bei n = 0,2 bis 0,4, bei Ni3Sn4 bei ca. 0,5 liegen. Die Ab­ weichungen vom Gesetz werden durch über lagerte Volumen- und Korngrenzendiffusion bedingt.
Zur Herstellung von formschlüssigen Verbindungen zwischen zur Serien- und/oder Parallelschaltung von Solarzellen dienenden Verbindern und Solarzellenkontakten sind bei­ spielsweise zwei verschiedene Systeme verwendbar. Das erste System weist einen Verbinder mit einem metallischen Träger aus Molybdän und eine Fügeoberfläche aus Silber so­ wie einen Solarzellenkontakt aus Silber und eine Zwischen­ schicht aus Zinn auf. Hingegen besteht das zweite System aus einem Verbinder mit einem Silberträger mit einer Fü­ geoberfläche aus Gold, einem Solarzellenkontakt aus Gold sowie einer Zwischenschicht aus Indium. Die Herstellung erfolgt nach den obengenannten Verfahrensschritten a bis d, wobei der Verbinder, die Zwischenschicht und der Kon­ takt auf eine der Löttemperatur entsprechende Schmelztem­ peratur der jeweiligen Zwischenschicht in einem Bereich von 160 bis 325°C für einen Zeitraum von 1 bis 10 min erwärmt werden, und wobei für diesen Zeitraum die vorge­ gebenen Anpreßdrücke zwischen Verbinder, Zwischenschicht und Kontakt zwischen 10 und 100 Newton betragen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß vor der Zwischenschicht eine dünne Diffusionssperrschicht ab­ geschieden wird, welche eine Reaktion zwischen Trägerme­ tall und der Zwischenschicht während der Lagerung verhin­ dert und somit eine Verbesserung der Lagerfähigkeit er­ laubt.
Hierbei wird als erfinderische Weiterbildung die Verwen­ dung einer 6 bis 10 µ dicken Silberkontaktschicht auf der Solarzellenoberfläche sowie die Verwendung einer Schicht­ dicke der Zinn-Zwischenschicht, die 1 bis 2 µ beträgt, angesehen.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Zinn bzw. Indium auf die Fügeoberfläche des Verbinders aus Silber oder aus Gold (gemäß Unteranspruch 12) oder aber auf die Fügeober­ fläche des Solarzellenkontaktes aus Silber oder aus Gold (gemäß Unteranspruch 16) lokal aufgebracht wird. So ist eine lokale Aufbringung der Zwischenschicht mittels Photo­ lacktechnik (Photoresisttechnik) oder durch eine Bedampfung oder durch Galvanik mittels Maskentechnik auf die Fügeober­ fläche des Verbinders oder des Solarzellenkontaktes möglich.

Claims (21)

1. Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbin­ dung zwischen metallischen Verbindern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen, insbesondere von zur Serien- und/oder Parallelschaltung von Solarzellen dienen­ den Verbindern und Solarzellenkontakten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • a) zwischen einem Verbinder und einem Kontakt wird eine Zwischenschicht aus einem gegenüber dem Verbinder und metallischen Kontakt niedrigschmelzendem Metall ange­ ordnet,
  • b) der höherschmelzende Verbinder, die niedrigschmelzende Zwischenschicht und der höherschmelzende Kontakt werden miteinander in Berührung gebracht und unter einem vor­ gegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlauf auf bzw. über die Schmelztemperatur der Zwischenschicht derart erwärmt, daß die flüssige Zwischenschicht die Fügeober­ flächen von Verbinder und Kontakt benetzt,
  • c) daß durch Diffusion der verschwindenden flüssigen Zwi­ schenschicht in den Verbinder und Kontakt eine interme­ tallische Phase von Material der Zwischenschicht und des zu fügenden Verbinders und Kontakts gebildet wird, und
  • d) daß abschließend durch Abkühlung und Erstarrung während des vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlaufes die formschlüssige Verbindung zwischen Verbinder und Kontakt hergestellt wird, deren Schmelztemperatur höher ist, als die der ursprünglichen Zwischenschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Zwischenschicht Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 450°C verwendet werden, wie Bi, Cd, Ga, In, Pb, Sn oder Zn.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als höherschmelzende Verbinder und Kontakte Metalle wie Ag, Au, Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ir, Os, Re, Rh oder Ru ver­ wendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schmelztemperatur und der vorgegebene Anpreßdruck mittels einer Druck-Heiz-Zeit-Vorrichtung auf­ gebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Druck-Heiz-Zeit-Vorrichtung mit einer An­ preßfläche von 0,5 mm × 7 mm, deren Temperaturbereich von 100 bis 500°C um ± 3K regelbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schmelztemperatur in einem Ofen bei gleichzeitiger Aufbringung des Anpreßdruckes mittels einer mechanischen Druckvorrichtung aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Her­ stellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einem Verbinder und einem Solarzellenkontakt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Verbinder aus einem metallischen Träger mit einer Fügeoberfläche aus Silber bzw. Gold, ein Solar­ zellenkontakt aus Silber bzw. Gold und eine Zwischenschicht aus Zinn bzw. Indium verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Molybdän als metallischen Träger für einen Verbinder mit einer Fügeoberfläche aus Silber.
9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Silber als metallischen Träger für einen Verbinder mit einer Fügeoberfläche aus Gold.
10. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung einer 6 bis 10 µ dicken Silberkontaktschicht auf der Solarzellenoberfläche.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Zinn-Zwischenschicht 1 bis 2 µ beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 , 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Zinn bzw. In­ dium auf die Fügeoberfläche des Verbinders aus Silber oder Gold lokal aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine lokale Aufbringung der Zwischenschicht auf die Fügeober­ fläche des Verbinders mittels Photolacktechnik (Photore­ sisttechnik.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch eine lokale Bedampfung durch Maskentechnik auf die Fügeoberfläche des Verbinders auf ge­ bracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine lokale galvanische Aufbringung der Zwischenschicht auf die Fügeoberfläche des Verbinders mittels Maskentechnik.
16. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Zinn bzw. In­ dium auf die Fügeoberfläche des Solarzellenkontaktes aus Silber bzw. Gold lokal aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine lokale Aufbringung der Zwischenschicht auf die Fügeober­ fläche des Solarzellenkontaktes mittels Photolacktechnik (Photoresisttechnik).
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch eine lokale Bedampfung durch Maskentechnik auf die Fügeoberfläche des Solarzellenkon­ takts aufgebracht wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine lokale galvanische Aufbringung der Zwischenschicht auf die Fügeoberfläche des Solarzellenkontaktes mittels Maskentech­ nik.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbinder, die Zwischenschicht und der Kontakt auf eine der Löttemperatur entsprechende Schmelztemperatur der Zwischenschicht in einem Bereich von 160 bis 325°C für einen Zeitraum von 4 bis 10 min erwärmt werden, daß für diesen Zeitraum die vorgegebenen Anpreß­ drücke zwischen Verbinder, Zwischenschicht und Kontakt zwischen 10 und 100 Newton betragen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zwischenschicht eine dünne Diffusionssperrschicht abgeschieden wird, welche eine Reak­ tion zwischen Trägermetall und der Zwischenschicht während der Lagerung verhindert und somit eine Verbesserung der Lagerfähigkeit erlaubt.
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