DE69604144T2 - Glasversiegelte halbleiteranordnung bestehend aus einem halbleiterkörper mit einer silber-kupfer-verbindungsschicht zwischen senke und verbindungsleitern - Google Patents
Glasversiegelte halbleiteranordnung bestehend aus einem halbleiterkörper mit einer silber-kupfer-verbindungsschicht zwischen senke und verbindungsleiternInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung der glasversiegelten Art, mit einem Halbleiterkörper, der einen pn-Übergang zwischen einander gegenüberliegenden Flächen aufweist, die mit Anschlussperlen aus einem Übergangsmetall verbunden sind, wobei die Anschlussperlen mit Hilfe einer silber- und kupferhaltigen Haftschicht mit kupferhaltigen Anschlussleitern verbunden sind, wobei zumindest der Halbleiterkörper und ein Teil der Anschlussperlen mit dem Glas bedeckt ist.
- Eine derartige Anordnung, die auch als Glasperlendiode bezeichnet wird, ist besonders für Anwendungen geeignet, bei denen eine sehr gute Passivierung, eine hermetische Abdichtung des Halbleiterkörpers, mechanische Festigkeit oder Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen wichtige Faktoren sind. Das Glas passiviert den Halbleiterkörper und bildet eine Feuchtigkeitsbarriere. Außer den Halbleiterkörper bedeckt das Glas auch den an den genannten Halbleiterkörper grenzenden Teil der Anschlussperlen (eng. slugs). In einer derartigen Anordnung haben die aus einem Übergangsmetall bestehenden Anschlussperlen, das Glas und der Halbleiterkörper Wärmeausdehnungskoeffizienten, die in der gleichen Größenordnung liegen, um Defekte infolge von Wärmeausdehnung zu verhindern. Die Anschlussleiter dienen dazu, den elektrischen Anschluß der Halbleiteranordnung beispielsweise an eine Printplatte zu ermöglichen. Eine derartige Anordnung wird hergestellt, indem der Halbleiterkörper bei einer relativ hohen Temperatur mit Hilfe eines sogenannten Hartlötprozesses, d. h. einem Lötprozess bei einer relativ hohen Temperatur (oberhalb ungefähr 450ºC) an die Anschlussperlen gelötet werden und die Anschlussperlen an die Anschlussleiter. Anschließend wird das Glas bei einer Temperatur angebracht, die niedriger ist als die des Lötprozesses.
- Eine Anordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der englischsprachigen Zusammenfassung der japanischen Patentanmeldung JP-A-55-39617 bekannt, in der ein Silber-Kupferlot verwendet wird, um Molybdänanschlussperlen mit Kupferanschlussleitern im Form von Anschlussdrähten zu verbinden.
- Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, dass die Zufestigkeit der Verbindung zwischen den Anschlussperlen und den Anschlussdrähten ungenügend ist.
- Der Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht zusätzlich zu Kupfer und Silber mehr als 1 Gew.-% Germanium umfasst.
- Dies ergibt eine ausreichend große Zufestigkeit der Haftschicht. In der Praxis hat sich beispielsweise bei Kupferleitern gezeigt, dass diese beim Ziehen an den Anschlussleitern brechen, während die Haftschicht intakt bleibt.
- Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht weniger als 5 Gew.-% Germanium umfasst. Wenn der Germaniumgehalt 5 Gew.-% überschreitet, ist die Haftschicht relativ hart und spröde, so dass in der Praxis die genannte Haftschicht relativ schwierig anzubringen ist.
- Ein zusätzlicher Vorteil wird erhalten, wenn die Haftschicht zwischen 20 und 30 Gew.-% Kupfer umfasst. In der Praxis hat eine solche Haftschicht einen relativ niedrigen Schmelzpunkt im Bereich zwischen ungefähr 780 und 800ºC.
- Wenn die Anschlussperlen und die Anschlussleiter während einer relativ langen Zeitdauer bei erhöhter Temperatur aneinandergelötetet werden und wenn Anschlussleiter mit nahezu ausschließlich Kupfer verwendet werden, können beim Herstellungsprozess Probleme hinsichtlich der Festigkeit der Haftschicht auftreten. Vorzugsweise umfassen die Anschlussleiter zusätzlich zu Kupfer ein Metall aus der von Eisen, Cobalt und Nickel gebildeten Gruppe. Es hat sich gezeigt, dass bei Anschlussleitern, die Eisen, Cobalt oder Nickel umfassen, keine Probleme hinsichtlich der Festigkeit der Haftschicht auftreten, auch nicht, wenn der Lötprozess über längere Zeit bei erhöhter Temperatur ausgeführt wird. Angenommen wird, dass bei Anschlussleitern, die nahezu ausschließlich Kupfer enthalten, beim Löten bei erhöhter Temperatur Germanium der Haftschicht in die Kupferanschlussleiter diffundiert, so dass die Germaniummenge in der Haftschicht auf ein Niveau abnimmt, das bei langen Lötdauern bei erhöhter Temperatur eine Haftschicht ergibt, deren Festigkeit nicht ausreicht. Angenommen wird, dass Eisen, Cobalt oder Nickel in den Anschlussleitern die Diffusion von Germanium in den Anschlussleiter großenteils verhindert, so dass die Germaniummenge in der Haftschicht groß genug bleibt, um eine feste Haftschicht zu ergeben. Die Halbleiteranordnung hat vorzugsweise Anschlussleiter, die einen eisenhaltigen Kern umfassen und um diesen Kern herum einen kupferhaltigen Mantel. Ein solcher Anschlussleiter hat in der Praxis sich als sehr geeignet erwiesen.
- Vorzugsweise umfasst die Haftschicht auch weniger als 1 Gew.-% eines Metalls aus der von Eisen, Nickel oder Cobalt gebildeten Gruppe. Ein solches Metall läßt die Haftung der Haftschicht am Übergangsmetall zunehmen. Es ist ein sogenanntes Kernbildungselement, das dafür sorgt, dass an der Grenzfläche zwischen Übergangsmetall und Haftschicht genügend Germanium vorhanden ist.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben
- Es zeigt:
- die einzige Figur eine Glasperlendiode.
- Die Figur ist rein schematisch und nicht maßstabsgetreu.
- Die Figur zeigt eine Glasperlendiodenhalbleiteranordnung der in Glas eingeschmolzenen Art, mit einem Halbleiterkörper 1, der einen pn-Übergang 2 zwischen einander gegenüberliegenden Flächen aufweist, die mit Anschlussperlen 5 aus einem Übergangsmetall versehen sind, wobei die Anschlussperlen mit Hilfe einer silber- und kupferhaltigen Haftschicht 10 mit kupferhaltigen Anschlussleitern 8 verbunden sind, wobei zumindest der Halbleiterkörper 1 und ein Teil der Anschlussperlen 5 mit dem Glas 12 bedeckt ist. Die Anschlussperlen sind aus Metallen, wie z. B. Wolfram oder Molybdän zusammengesetzt. Auch werden Kombinationen von Metallen verwendet, beispielsweise aus der von Eisen, Nickel und Kupfer gebildeten Gruppe, welche Kombinationen auch unter Namen wie Dumet, Fernico oder Invar bekannt sind. In der Praxis werden vorzugsweise Molybdänanschlussperlen 5 verwendet. Die genannten Anschlussperlen 5 sind mittels einer Haftschicht 14 mit dem Halbleiterkörper 1 verbunden.
- Eine solche Anordnung wird hergestellt, indem eine Titanschicht, Silberschicht und Aluminiumschicht in Dicken von 0,2 um, 3,65 um bzw. 2,4 um auf dem Halbleiterkörper beispielsweise mittels Dampfabscheidung aufgebracht werden. Nach dem Löten bilden die Silber- und Aluminiumschichten eine Haftschicht 14 aus Ag89A111, wobei die Zahlen Gewichtsanteile darstellen. Anschließend werden Teile der Glasperlendiode, wie z. B. die Anschlussdrähte 8, die Anschlussperlen 5 und der Halbleiterkörper 1, relativ zueinander positioniert, wie in der Figur gezeigt. Am Ort der Haftschicht 10 werden Platten angebracht, die aus dem Material der Haftschicht 10 hergestellt sind. Solche Platten werden mit bekannten Standardtechniken hergestellt, beispielsweise durch Schmelzen der Metalle der Haftschicht 10 im gewünschten Verhältnis und mit Techniken wie Walzen und Stanzen.
- Nachdem die Teile positioniert worden sind, werden sie auf eine Temperatur von ungefähr 830ºC gebracht. Der Halbleiterkörper 1 wird dann mit Hilfe der Haftschicht 14 an die Anschlussperlen 5 gelötet, und die genannten Anschlussperlen 5 werden mit Hilfe der Haftschicht 10 an die Anschlussdrähte 8 gelötet, so dass eine gelötete Struktur gebildet wird. Zur Herstellung von Glasperlendioden werden vorzugsweise Temperaturen unterhalb ungefähr 830ºC und Lötdauern kürzer als 20 Minuten eingehalten, weil bei höheren Temperaturen und längeren Lötdauern Material der Haftschichten 10, 14 wegdiffundiert und die Eigenschaften der Haftschichten sich ändern. Nach dem Lötprozess wird die gelötete Struktur mittels sogenanntem Laugenätzen in einer alkalischen Lösung aus NaOH (40 g/l) gereinigt, damit das Glas 12 gut an der Struktur haften kann. Nach diesem Reinigungschritt wird eine Glassuspension, beispielsweise aus Bleiboratglas oder Zinkboratglas, auch als Schott-Glas oder Ferro-Glas bezeichnet, auf der so gebildeten Struktur aufgebracht. Die Glassuspension wird bei einer niedrigeren Temperatur gesintert als beim Löten, in diesem Beispiel bei einer Temperatur zwischen 700 und 730ºC. Das Glas 12 bedeckt den Halbleiterkörper 1 und zumindest einen Teil der Anschlussperlen 5 (siehe Figur).
- In der Praxis ist der Durchmesser der Anschlussperlen 5 und der Haftschicht 10 ungefähr 50% größer als der Durchmesser der Anschlussdrähte. Beispielsweise wird ein Anschlussdraht mit einem Durchmesser von 1,322 und einem Querschnitt am Ort der Haftschicht von 2,0 mm verwendet. Üblicherweise zum Löten von kupferhaltigen Drähten an Anschlussperlen aus einem Übergangsmetall verwendete Materialien sind AgCu28 mit einer Schmelztemperatur von 780ºC und AgCu26,6Pd5 mit einer Schmelztemperatur von 820ºC, wobei die Zahlen Gewichtsanteile angeben. Wenn beispielsweise AgCu28 als Haftschicht 10 verwendet wird, bewirkt ein Ziehen an den Anschlussdrähten, dass die Verbindung zwischen den Anschlussperlen 5 und den Anschlussdrähten in der Silber-Kupfer- Haftschicht 10 in allen Fällen zerbricht, obwohl die Haftschicht 10 einen größeren Durchmesser hat als die Anschlussdrähte. Bei AgCu26,6Pd5 tritt Bruch in der Haftschicht 10 in ungefähr zehn Prozent der Fälle auf.
- Gemäß der Erfindung umfasst die Haftschicht 10, zusätzlich zu Kupfer und Silber, mehr als 1 Gew.-% Germanium. Dies führt zu einer viel größeren Zufestigkeit der Haftschicht 10. Die Haftschicht 10 umfasst vorzugsweise zwischen 20 und 30 Gew.-% Kupfer. Experimente, bei denen eine Haftschicht 10 aus AgCu28 mit einem Germaniumgehalt von 2,3 und 5 Gew.-%, und Molybdänanschlussperlen 5 und Kupferanschlussdrähte 8 verwendet wurden, zeigen, dass Ziehen an den Anschlussdrähten bewirkt, dass sie zerbre chen, während die Haftschicht 10 intakt bleibt. Die Löttemperatur, bei der die Haftschicht 10 aufgebracht wird, ist nicht sehr kritisch. Eine solche Haftschicht 10 kann beispielsweise bei einer Löttemperatur im Bereich zwischen beispielsweise 795 und 900ºC aufgebracht werden, ohne dass die Eigenschaften der Haftschicht nachteilig beeinflusst werden. Außerdem werden die Anschlussperlen 5 und die Anschlussdrähte beim Herstellungsprozess sehr zufriedenstellend von der Haftschicht 10 befeuchtet.
- Die Haftschicht 10 umfasst vorzugsweise weniger als 5 Gew.-% Germanium. Wenn der Germaniumgehalt 5 Gew.-% übersteigt, hat die Haftschicht 10 eine große Zufestigkeit, aber die aus dem Material der Haftschicht bestehenden Platten, die zum Löten verwendet werden, sind sehr schwer herstellbar.
- Wenn die Anschlussperlen 5 und die Anschlussdrähte bei einer erhöhten Temperatur über eine längere Zeitdauer aneinander gelötet werden und wenn Anschlussleiter 8, die nahezu ausschließlich Kupfer enthalten, verwendet werden, können beim Herstellungsprozess Probleme hinsichtlich der Festigkeit der Haftschicht 10 auftreten Vorzugsweise umfassen die Anschlussleiter 8, zusätzlich zu Kupfer, Eisen, Cobalt oder Nickel. Es hat sich gezeigt, dass bei Anschlussleitern 8, die Eisen, Cobalt oder Nickel umfassen, keine Probleme hinsichtlich der Festigkeit der Haftschicht 10 auftreten, auch nicht, wenn der Lötprozess über längere Zeit bei erhöhter Temperatur ausgeführt wird. Vorzugsweise wird ein Anschlussdraht 8 mit einem Kern aus Eisen verwendet, beispielsweise Low Carbon (LC) oder Interstitional Free (IF) Eisen, das mit einem Kupfermantel versehen ist. Ein Anschlussdraht 8 mit beispielsweise einem Eisenkern von 0.8 mm und einem Kupfermantel mit einer Dicke von 0,26 mm erweist sich als sehr zufriedenstellend. Ein derartiger Anschlussdraht ist auch unter dem Namen Fecumadraht mit einem IACS (International Accepted Conductivity Standard) von 70% bekannt.
- Vorzugsweise umfasst die Haftschicht 10 auch weniger als 1 Gew.-% eines Metalls aus der von Eisen, Nickel oder Cobalt gebildeten Gruppe. Ein solches Metall ermöglicht eine bessere Haftung der Haftschicht 10 am Übergangsmetall. Dieses Metall ist ein sogenanntes Kernbildungselement, das dafür sorgt, dass genügend Germanium an der Grenzfläche zwischen dem Übergangsmetall und der Haftschicht 10 vorhanden ist. Beispielsweise können AgCu28Ge2Fe0,2, AgCu28Ge2CO0,3, AgCu28Ge2Ni0,1 als Material für die Haftschicht verwendet werden, wobei die Zahlen Gewichtsanteile darstellen. Haftschichten, die Eisen oder Cobalt enthalten, befeuchten Anschlussperlen aus Übergangsmetallen besser als Haftschichten, die Nickel umfassen, während Nickel oder Cobalt enthal tende Haftschichten eine größere Festigkeit aufweisen als eisenhaltige Haftschichten. Vorzugsweise wird eine Haftschicht aus AgCu28Ge2Co0,3 verwendet, weil diese Schicht ausreichende Befeuchtungseigenschaften mit einer großen Festigkeit kombiniert.
- Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben angeführten Ausführungsbeispiele. In den Ausführungsbeispielen ist der Halbleiterkörper 1 beispielsweise eine Diode mit einem einzigen pn-Übergang 2 zwischen einander gegenüberliegenden Flächen 3, 4. Es ist jedoch auch möglich, dass der Halbleiterkörper 1 eine Anzahl von in Reihe geschalteten pn-Übergängen 2 umfasst. Der in der Figur gezeigte Halbleiterkörper 1 umfasst dann eine Anzahl miteinander verbundener Halbleiterkörper, die jeweils einen pn-Übergang 2 enthalten. Die Halbleiteranordnung ist dann zum Gleichrichten von relativ hohen Spannungen geeignet. Im Vorhergehenden wird zur Herstellung der Haftschicht 10 eine spezielle Technik erwähnt. Das soll jedoch nicht bedeuten, dass die erfindungsgemäße Anordnung nur mit Hilfe einer solchen Technik hergestellt werden kann. Anstelle der in dem Beispiel verwendeten Platten können beispielsweise Schichten der gewünschten Zusammensetzung auf den Anschlussperlen oder auf den Anschlussleitern mittels Elektrodeposition, CVD ("chemical vapor deposition") oder Aufdampftechniken aufgebracht werden. Die Haftschicht kann auch mit einer Paste aufgebracht werden. Das Glas 12 kann auch in anderer Weise als der hier beschriebenen Art angebracht werden, beispielsweise, indem eine Glasröhre um den Halbleiterkörper und die Anschlussperlen herum angebracht wird und die Glasröhre geschmolzen wird. In dem Beispiel werden Anschlussdrähte als Anschlussleiter verwendet. Diese Anschlussleiter können sehr gut eine andere Form haben, beispielsweise eine zylindrische oder rechteckige Kästchenform, um beispielsweise Oberflächenmontage gemäß einer sogenannten SMD-Technik ("surface mounting" technique) zu ermöglichen.
Claims (6)
1. Halbleiteranordnung der in Glas eingeschmolzenen Art (12), mit einem
Halbleiterkörper (1), der einen pn-Übergang (2) zwischen einander gegenüberliegenden
Flächen aufweist, die mit Anschlussperlen (5) aus einem Übergangsmetall verbunden sind,
wobei die Anschlussperlen mit Hilfe einer silber- und kupferhaltigen Haftschicht (10) mit
kupferhaltigen Anschlussleitern (8) verbunden sind, wobei zumindest der Halbleiterkörper
und ein Teil der Anschlussperlen mit dem Glas bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Haftschicht zusätzlich zu Kupfer und Silber mehr als 1 Gew.-% Germanium umfasst.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Haftschicht weniger als 5 Gew.-% Germanium umfasst.
3. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Haftschicht zwischen 20 und 30 Gew.-% Kupfer umfasst.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter zusätzlich zu Kupfer ein Metall aus der von Eisen,
Cobalt und Nickel gebildeten Gruppe umfassen.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anschlussleiter einen eisenhaltigen Kern umfassen und um diesen Kern herum einen
kupferhaltigen Mantel.
6. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Haftschicht auch weniger als 1 Gew.-% eines Metalls aus der von
Eisen, Nickel oder Cobalt gebildeten Gruppe umfasst.
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