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Lot zum Verlöten von Teilen, von denen eines Gold enthält, und Verfahren
zum Löten mit diesem Lot Bei Halbleiteranordnungen mit einkristallinen Halbleiterkörpern,
z. B. Silizium-pn-Flächengleichrichtern, besitzt der Halbleiterkörper vielfach Goldelektroden.
Es besteht die Aufgabe, zwischen den Stromzuführungen der Anordnung und den Goldelektroden
eine dauerhafte, stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Die Stromzuführungen können
z. B. aus Silber bestehen. Man kann die Verbindung z. B. durch Hochfrequenzerhitzung
auf etwa 400° C herstellen; dabei entsteht an der Verbindungsstelle eine Gold-Silber-Legierung.
Bei einer derart hohen Temperatur bedarf es besonderer Schutzmaßnahmen, um den Zustand
des bereits fertig dotierten Halbleiterkristalls unverändert zu erhalten.
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Zum flußmittelfreien Weichlöten an Silberoberflächen ist ein Lot bekannt,
das aus 1 bis 2019/o, vorzugsweise 1019/o Gold, Rest Zinn besteht. Die Gold-Zinn-Legierung
besitzt zwei eutektische Punkte bei etwa 20 bzw. 900/a Zinn; die Zusammensetzung
des bekannten Lotes entspricht also etwa dem zinnreichen Eutektikum. Es ist ferner
ein Lot bekannt, das aus etwa 85 bis 20 % Gold, 60 bis 20 % Silber, Rest Zinn besteht,
wobei der Gold-Silber-Anteil der Legierung vor Gebrauch des Lotes von dem Zinnanteil
getrennt gehalten wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lot zum Verlöten von
Teilen, von denen eines Gold enthält, insbesondere zum Anlöten eines Anschlußteiles
an eine Goldelektrode eines einkristallinen Halbleiterkörpers. Das Lot nach der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus etwa 80% Gold, Rest Zinn besteht.
Diese Zusammensetzung entspricht etwa dem zinnarmen Eutektikum der Gold-Zinn-Legierung.
Vorzugsweise wird der Goldgehalt des Lotes etwas geringer gewählt, als es der eutektischen
Zusammensetzung entspricht, z. B. 75°/0. Die Schmelztemperatur der eutektischen
Legierung liegt bei 280° C; die Löttemperatur wird etwas höher gewählt, z. B. 290
bis 300° C.
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Die genannte Zusammensetzung des Lotes ermöglicht ein besonders einfaches
Lötverfahren, das darin besteht, daß das nicht goldhaltige Teil mit dem schmelzflüssigen
Lot benetzt und mit dem goldhaltigen Teil bei einer Temperatur über 280° C, z. B.
290° C, in Kontakt gebracht wird. Wählt man ein Lot mit etwa 80% Goldgehalt, so
ist es bei der genannten Temperatur zunächst flüssig.
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Es nimmt jedoch in kurzer Zeit aus dem goldhaltigen Teil, mit dem
es in Berührung steht, Gold auf; infolgedessen steigt - entsprechend der Liquiduskurve
der Legierung (vgl. F i g. 1) - seine Schmelztemperatur, so daß es sich bei konstant
bleibender Löttemperatur verfestigt.. Wählt man, wie bereits bemerkt, den Goldgehalt
etwas geringer, z. B. 7519/o, so wird die Zeit, in der das Lot flüssig ist, verlängert,
so daß das Lot einwandfrei zwischen den zu verbindenden Teilen verfließen kann.
Bei konstanter Behandlungstemperatur sinkt zunächst der Schmelzpunkt der Legierung
durch Aufnahme von Gold, und zwar so lange, bis der eutektische Punkt erreicht ist.
Infolge weiterer Goldaufnahme steigt dann der Schmelzpunkt wieder an, bis schließlich
die Verfestigung eintritt.
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Man kann das nicht goldhaltige Teil dadurch mit dem Lot benetzen,
daß man es in die schmelzflüssige Legierung eintaucht. Man kann jedoch das Lot,
das im kompakten Zustand recht spröde ist, zunächst pulverisieren, in dieser Form
auf das nicht goldhaltige Teil aufstreuen und dann durch Erhitzen auf etwa 350°
C niederschmelzen. Es ist jedoch auch möglich, das pulverisierte Lot mit einem Bindemittel,
z. B. Paraffin, Glykolsäure, Glykol, Lävulinsäure, Glycerin, zu einer Paste zu verarbeiten,
die auf das nicht goldhaltige Teil aufgestrichen und dann niedergeschmolzen wird.
Beim Niederschmelzen verdampft das Bindemittel.
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Wie bereits bemerkt, ist die Erfindung insbesondere zur Verbindung
der Stromzuführungen mit den Goldelektroden von Halbleiterkörpern von Bedeutung.
Es ist üblich, hierfür flexible Drahtseile zu verwenden. Bisher wurde das Ende des
Seiles mit einer Hülse oder Schale versehen, die dann ihrerseits mit der Elektrode
verbunden wurde. Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, diese Art der Verbindung
erheblich zu verbessern. Man kann hierzu das zu verlötende Ende des Seiles durch
einen Ring zusammenfassen, die blanken Endquerschnitte der einzelnen
Drähte
des Seiles mit dem Lot benetzen und dann unmittelbar mit der Goldelektrode bei einer
Temperatur über 280° C in Kontakt bringen. Auf diese Weise werden die einzelnen
Drähte unmittelbar mit der Elektrode verbunden, so daß also die bisher verwendete
Hülse entfällt. Mit Vorteil werden die Drähte des Seiles vorher mit einer Oberflächenschicht
versehen, die das Lot nicht annimmt. Hierzu kann man beispielsweise Silber- oder
Kupferdrähte mit einer Oxyd- oder Sulfidschicht versehen. Dadurch wird verhindert,
daß das Lot zwischen die Drähte des Seiles eindringt. Die Endquerschnitte der Drähte
sind dann einzeln mit der Elektrode verbunden, so daß sich das Anschlußseil Wärmedehnungen
des Halbleiterkörpers spannungsfrei anpassen kann.
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Das gemäß der Erfindung verwendete Lot hat eine Reihe von Vorteilen.
Es ist unempfindlich gegen Korrosion und kann daher an Luft verarbeitet werden;
ein Flußmittel ist nicht erforderlich. Die Verlötungstemperatur ist verhältnismäßig
niedrig; die fertige Lotschicht besteht aus einer harten, temperaturwechselfesten
Legierung. Diese beiden Eigenschaften sind insbesondere von Bedeutung bei der Verwendung
des Verfahrens für Halbleiteranordnungen. Der Lötvorgang kann bis zur Verfestigung
des Lotes bei konstanter Temperatur verlaufen.
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Als Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Verbindung der Goldelektroden
eines Silizium-Gleichrichterelementes mit den elektrischen Anschlüssen beschrieben.
In der Zeichnung stellt F i g. 1 die Liquiduskurve der Gold-Zinn-Legierungen und
die F i g. 2 a und 2 b die zu verlötenden Teile eines Siliziumgleichrichters dar.
Das vollständige Zustandsdiagramm der Gold-Zinn-Legierungen ist in dem Buch von
Hansen »Der Aufbau der Zweistofflegierungen«, Berlin, 1936, S. 261, wiedergegeben.
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In F i g. 2 a ist mit 1 ein scheibenförmiger Silizium-Einkristall
bezeichnet, der mit Elektroden 2 und 3 versehen ist. Die Elektroden 2 und 3 bestehen
aus Gold, das in an sich bekannter Weise mit p- bzw. n-dotierenden Zusätzen versehen
ist. Der dargestellte Kristall l ist vor der Verbindung mit den weiteren Teilen
der Anordnung bereits fertig dotiert worden.
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Der Siliziumkristall 1 ist mit seiner Elektrode 3 flächenhaft
an dem Gehäuseboden 4 zu befestigen, der aus Kupfer besteht und gleichzeitig
einen elektrischen Anschluß des Gleichrichters bildet. Hierzu wird auf den Boden
4 zunächst eine Molybdänplatte 5 hart aufgelötet, beispielsweise mit Hilfe eines
Silber-Kupfer-Lotes, das mit einem Nickelzusatz versehen ist. Die Molybdänplatte
5 hat etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Siliziumkörper
1 (etwa 5 - 10-e - grad-1); sie hat die Aufgabe, thermische Spannungen, die durch
den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kupferbodens 4 (16,5 - 10-e
- grad-1) entstehen können, von dem Siliziumkristalll fernzuhalten. Die Molybdänplatte
5 ist auf der Oberseite mit einer relativ dünnen Silberschicht 6 plattiert.
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Auf die Silberschicht 6 wird das aus 75 % Gold und 25 % Zinn bestehende
Lot in Pulverform aufgestreut oder in Pastenform aufgestrichen. Die aus dem Boden
4 und der Molybdänplatte 5 bestehende Einheit wird dann auf etwa 350° C erhitzt,
wobei das aufgebrachte Gold-Zinn-Lot niederschmilzt und einen geschlossenen überzug
7 auf der Silberplattierung 6 bildet. Die obere Elektrode 2 des Siliziumkristalls
1 ist mit einer flexiblen Anschlußleitung zu versehen. Dieser Anschluß besteht aus
einem aus Silberdrähten gewickelten Seil 8. Für das Seil 8 sind Silberdrähte
verwendet, die durch Tempem in Sauerstoff oxydiert oder durch Lagern in Schwefelwasserstoff
sulfidiert sind. Die Endflächen der Silberdrähte an der Verbindungsstelle sind jedoch
blank. Sie werden durch Eintauchen in eine Gold-Zinn-Schmelze der genannten Zusammensetzung
mit einer Lotschicht 10 benetzt. Das Ende des Seiles ist durch einen Ring
11, der in etwa 0,5 bis zwei Millimeter Entfernung vom Seilende aufgebracht ist,
zusammengehalten. Der Ring 11 kann beispielsweise aus Kupfer bestehen.
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Der Siliziumkristall 1 wird nunmehr mit der Goldelektrode 3 auf die
Lotschicht 7 aufgelegt; ferner wird der Endquerschnitt des Seiles 8 mit der Goldelektrode
2 in Kontakt gebracht. Der Boden 4 wird dann auf eine Temperatur von
etwa 290 bis 300° C erwärmt, beispielsweise indem er auf eine Heizplatte mit entsprechend
geregelter Temperatur gesetzt wird.
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Der Vorgang der Verlötung möge an Hand der F i g. 1 erläutert werden,
wobei der deutlichen Darstellung halber angenommen ist, daß die Löttemperatur 300°
C beträgt. Bei dieser Temperatur entspricht der Zustand der Lotschichten 7 und 10
zunächst dem Punkt A; hierbei besteht das Lot aus Schmelze und einem festen Anteil
aus Au5n. Durch Aufnahme von Gold aus den Elektroden 2 und 3 wandert der Zustandspunkt
des Lotes horizontal nach links; bei B erreicht er die Liquiduskurve, so daß eine
vollständige Verflüssigung eintritt. Das Lot verfließt in diesem Zustand einwandfrei
zwischen den zu verlötenden Flächen; durch die Oxydierung bzw. Sulfldierung der
Drähte des Seiles 8 wird verhindert, daß es in das Seil eindringt. Infolge weiterer
Goldaufnahme erreicht das Lot schließlich den Zustand C, in dem eine Teilverfestigung
eintritt, die bereits ausreicht, die Teile zuverlässig miteinander zu verbinden.
Die gesamte Einheit wird dann von der Heizplatte abgenommen und abgekühlt.
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Die Halbleiteranordnung ist nun noch vakuumdicht zu verschließen.
Hierfür ist eine Druckglasverschmelzung vorgesehen, die, wie in F i g. 2 a dargestellt
ist, aus einer zentralen Hülse 15, einem Glasring 16 und einem äußeren Eisenzylinder
17 besteht. Das Seil 8 ist in eine Bohrung eines Zwischenstückes 18 eingequetscht;
auf der Außenseite des Zwischenstückes 18 ist in gleicher Weise ein weiterführendes
Anschlußteil8' eingequetscht.
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Die vorgefertigte Druckglasverschmelzung wird mit der Hülse 15 über
das Seil 8 bzw. das Zwischenstück 18 gestülpt und auf einen Eisenring 20 gesetzt,
der hart in den Boden 4 eingelötet ist. Die Naht zwischen dem Eisenzylinder 17 und
dem Ring 20 wird dann durch Elektroschweißung vakuumdicht geschlossen. Vorher kann
der Innenraum des Gehäuses mit einem Schutzgas gefüllt werden. Schließlich wird
das Gehäuse durch eine Weichlötung bei 21 abgeschlossen.
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Wie bereits bemerkt, ist bei dem bisher geschilderten Ausführungsbeispiel
der Ring 11, durch den das Ende des Seiles 8 zusammengehalten wird, in einiger Entfernung
vom Seilende angeordnet; hierdurch ist es den Einzeldrähten des Seiles 8 möglich,
unabhängig voneinander Wärmedehnungen des Siliziumkörpers 1 zu folgen. Man kann
den Ring 11 auch, wie es in F i g. 2 b gezeigt ist, unmittelbar am
Ende
des Seiles 8 anordnen, wenn man für ihn ein Material wählt, das etwa den gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizient hat wie der Siliziumkörper. Hierfür kommt beispielsweise
eine Eisen-Nickel-Legierung geeigneter Zusammensetzung in Frage. Der Ring 11 kann
in diesem Falle gleichzeitig mit den Drähten des Seiles 8 an die Elektrode 2 angelötet
werden; da er etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper
besitzt, kann er keine thermischen Spannungen verursachen.
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Es ist auch möglich, den Ring 11 als Schelle auszubilden, die das
Seil 8 nur provisorisch zusammenhält und nach der Verlötung wieder abgenommen wird.
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Dem Gold-Zinn-Lot kann zur Verbesserung seiner Benetzungseigenschaften
bis zu 1% Antimon, Arsen oder Phosphor zugesetzt werden. Eine Verbilligung des Lotes
ist durch einen Zusatz von Silber bis zu etwa 10% möglich, ohne daß eine wesentliche
Erhöhung der Löttemperatur in Kauf genommen werden muß.