-
Verfahren zum Herstellen einer Dünnfilm-, einer Festkörper- oder einer
Hybridschaltung Die Erfindung befaßt sich mit dem elektrischen und mechanischen
Anschluß von einem oder mehreren Bauelementen oder Festkörperschaltungen, die nachträglich
in eine aufgedampfte Dünnfilm-, Festkörper- oder Hybridschaltung eingesetzt werden.
Unter einer Hybridschaltung soll eine Festkörperschaltung mit auf deren Oberfläche
aufgedampfter oder aufgestäubter Dünnfilmschaltung verstanden werden.
-
Bei Dünnfilmschaltungen werden gemeinhin die passiven Bauelemente,
wie Widerstände und Kondensatoren, und die Verbindungsleitungen (Leitungsbahnen)
auf eine isolierende Unterlage, z. B. auf glasierte Keramik, aufgedampft. Die aktiven
Bauelemente, wie Transistoren und Dioden, werden dann erst nachträglich in die Schaltung
eingesetzt.
-
So können in eine Dünnfilmschaltung beispielsweise ungekapselte Planartransistoren
mit ihrer Kollektorseite auf aufgedampfte Leitungsbahnen mittels Gold, das gegebenenfalls
auch noch dotiert sein kann, aufgelötet werden. Damit ist die Kollektorzone der
Transistoren angeschlossen, während die auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite
des Halbleiterkörpers angebrachten Basis- und Emitterkontakte mit Hilfe des Thermokornpressionsverfahrens
kontaktiert werden. Dabei werden in bekannter Weise dünne Golddrähte zur Verbindung
der Transistorkontakte mit den zugehörigen Anschlüssen in der Dünnfilmschaltung
verbunden.
-
Die zum Auflöten der aktiven Elemente und beim Therrnokompressionsverfahren
mit kalter Schneide notwendige Temperatur.von etwa 400° C kann die Stabilität der
passiven Elemente beeinflussen. Deshalb werden die aktiven Elemente auch eingeklebt
und durch Thermokompression mit einer heißen Schneide bei einer Substrattemperatur
von etwa 200° C angeschlossen. In diesem Falle liegen alle drei Anschlüsse für Kollektor,
Basis und Emitter auf einer Seite des Elementes, und die Kontaktierung erfolgt bei
allen drei Elektroden in derselben Weise. Die Thermokompression kann auch durch
ein Mikroschweißen mit elektrischem Strom oder Ultraschall bei kaltem Substrat ersetzt
werden.
-
Das Thermokompressions- wie auch das Mikroschweißverfahren sind in
ihrer Anwendung sehr zeitraubend. Vor allem wenn in größeren Mikroschaltungen viele
Stellen beim Einsetzen der aktiven Elemente kontaktiert werden müssen, sind die
bekannten Verfahren nachteilig, zumal die Kontaktierungsstellen dann oft in relativ
großem Abstand liegen. Dabei schleichen sich außerdem gelegentlich Schaltfehler
ein. Die gleichen Probleme treten in erhöhtem Maße auch bei einem anderen bekannten
Verfahren auf, bei dem das Substrat, z. B. ein Transistorfuß oder auch ein Keramikscheibchen,
nur einige Leitbahnen besitzt. Alle Elemente werden z. B. durch Löten oder Kleben
auf dem Substrat befestigt, und erst im Anschluß daran werden die elektrischen Anschlüsse
durch die bekannten Thermokompressions- oder Mikroschweißverfahren hergestellt.
-
Dünnfilmschaltungen und Schaltungen, die nach dem zuletzt beschriebenen
Verfahren hergestellt werden, haben gegenüber Festkörperschaltungen den Vorteil,
daß beliebige Bauelemente zu einer miniaturisierten Schaltung verbunden werden können,
was für die optimale Dimensionierung bestimmter Schaltungen, z. B. für schnelle
Rechner oder sehr hochfrequente Verstärker sehr wichtig ist. Die Anwendung der genannten
Schaltungen wird aber durch die bei der Kontaktierung auftretenden Schwierigkeiten
begrenzt.
-
Zur Verbesserung der bekannten Herstellungsverfahren wird daher erfindungsgemäß
ein Verfahren zum Herstellen einer Dünnfilm-, einer Festkörper-oder einer Hybridschaltung
vorgeschlagen, das durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte in der
angegebenen Reihenfolge charakterisiert ist: a) Auf eine isolierende Unterlage (1)
werden passive Bauelemente und Leitungsbahnen (2) aufgebracht; b) auf die Unterlage
werden Halbleiterbauelemente (3) mit ihren auf einer Oberflächenseite des
Halbleiterkörpers
angeordneten Kontaktbahnen (8) so aufgelegt, daß die Kontaktbahnen dieser
Halbleiterbauelemente in Verbindung mit entsprechenden Leitbahnen auf der Unterlage
gelangen, wobei sich die Kontakt- und Leitungsbahnen an ihren Verbindungsstellen
kreiizen; c) zwischen den Kontaktbahnen der Halbleiterbauelemente und den Leitungsbahnen
der isolierenden Unterlage wird eine feste Verbindung hergestellt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vorteil, da13
keine dünnen Zuleitungsdrähte mehr zur Kontaktierung der Elektroden von Halbleiteranordnungen
mit Leitungsbahnen auf einem Substrat benötigt werden. Ferner können die Kontaktbahnen
der Halbleiterbauelemente und die Leitungsbahnen auf der isolierenden Unterlage
dadurch besonders leicht miteinander verbunden werden, daß die genannten Bahnen
sich an den Kontaktstellen kreuzen.
-
Bekannt war ein steckbares elektrisches Bauelement, insbesondere ein
Wickelkondensator, der an seinen beiden Stirnflächen Leitungszüge aufwies. Ein derartiger
Wickelkondensator wurde in einen Isölierstoffträger eingebracht, der seinerseits
wiederum in Vertiefungen einer Trägerplatte einer gedruckten Schaltung abgesteckt
würde. Gegenüber dieser bekannten Kontaktierungsweise besteht der Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens darin, daß die Halbleiterbauelemente ohne Zwischeneinheiten direkt mit
ihren Elektroden auf die Leitungsbahnen eines Substrates aufgebracht werden können.
-
Für das neue Verfahren sind besonders solche Elemente brauchbar, bei
denen alle Anschlüsse der Bauelemente bzw. Schaltungen auf einer Oberflächenseite
angeordnet und mit Kontaktbahnen versehen sind, die sich auf eine diese Bauelementenoberfläche
bedeckende Isolierschicht erstrecken. An Stelle von Kontaktbahnen, die ein wesentlichen
eine Vergrößerung der bei kleinen Elementen vorhandenen Kontaktflächen zum Ziele
haben5 können hier auch die in den Öffnungen der abdeckenden Oxydschicht befindlichen
Kontakte durch galvanische oder stromlose Abscheidung so weit verstärkt werden,
daß sie etwas über die Oxydschicht herausragen. Die Kontaktbahnen werden dann erfindungsgemäß
beim Einsetzen irt die Dünnfihnschaliung auf geonietrisch entsprechend angeordneten
Leitungsbahnen der Dünnfilmschaltung aufgelegt und mit ihnen elektrisch und mechanisch
verbunden, indem die entsprechend angeordneten Anschlußstellea aufeinätidergeklappt
Werden. Eine feste Verbindung läßt sieh auf niannigfache Weise herstellen: Eine
Möglichkeit zur Herstellung eines festen Kontaktes ist die Lötverbindung. Dazu iriüssen
pas= sende Metällparifier als Mäteiial fifr die Kontaktbahnen und Leitbahnen ausgewählt
werden: Dass Löten kann auch durch mehrschichtige Leitungs-und Kontaktbahnen erleichtert
werden, indem sieh in den obersten Schichtete an der Berihrufigsfläclie niedrigsehnielzende
Partnei gegenüberstehen.
-
Die Leitungsbahnen und Köiitäkfbahüen müssen, da sie auch die h%echäüigche
Verbihduiig der Bäteelemente mit der Düiinfilmschaltüfig bilden, auf ihrer Unterläge
gilt htifteii@ Uni die Haftfestigkeit der Leitungs- und Kontaktbahnen auf ihren
Unterlagen aus z: $. Glas; Keramik oder Sillzlunioxyd zu erhöhen, empfiehlt es sich,
in bekannter Weise zuerst eine Bekeimung der Substratoberfäche, z. B. durch Aufdampfen
einer dünnen Chromschicht, vorzunehmen, bevor die eigentliche Metallschicht aufgetragen
wird. ' lacht man die Leitungsbahnen und die Kontaktbahnen an der Kontaktstelle
sehr schmal, z. B. 5 bis 50 pn, und relativ dick, z. B. einige [,m, und ordnet sie
so an, daß sich die zu verbindenden Leitungs-und Kontaktbahnen an den Kontaktstellen
kreuzen, dann erhält man kleine Kontaktflächen, die sich beim Andrücken, eventuell
unter erhöhter Temperatur, durch Thermokompression verbinden, ohne daß eine komplizierte
Thermokompressionsmaschine erforderlich ist. Außerdem hat diese Art der kreuzweisen
Verbindung durch schmale Stege den Vorteil, daß trotz kleiner Kontaktflächen, die
zur Vermeidung von Koppel- und Streukapazitäten wünschenswert sind, an die Justierung
der Kontakte zuefeander keine unerfüllbaren Forderungen gestellt werdefi: Zur Präzisierung
und auch zur Aütomatisierüng der Kontäktiertüig nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag
können die in eine Schaltung nachträglich einzusetzendefi Bauelemente und Schältungenr
zunächst mit ihrer Oberseite, die die Kontakte trägt, nach oben in eine Lehre mit
genau justierten öff= nungen zur Aufnahme dieser Bauelemente hineingelegt werden.
Die Schaltung wird nun nut ihrer Filmseite nach unten auf die finit Bauelementen
bestückte Lehre gelegt und reit Hilfe von Passungen entsprechend der geometrischen
Anordnung. der Leitbahnen von der Dünnfilmschaltung justiert, so daß rinn jedes
Bauelement an der richtigen Stelle der Schaltung liegt. Die feste Verbindung der
Kontaktstellen zwischen den Kontaktbahnen und den Leituiigsbahteen kann dann auf
einasal für alle Elemente in der Lehre und natürlich auch für viele Schaltungen
gleichzeitig durch Druck und/oder Temperatur ausgeführt werden.
-
Für Schaltungen, die hohen $eschleüfiigüngen ausgesetzt werden, wird
oft eine besonders mechanische Festigkeit gefordert. Sie kann erreicht werden, indem
das eingesetzte und elektrisch verbundene aktive Bauelement nachträglich mit einem
Kitt, Klebstoff oder einem Kunstharz auf dein Substrat der Düiitifilmschaltung vergossen
wird.
-
In einer Weiterführung der Erfindung wird vorgeschlagen, dieses Kontaktierungsverfahren
nicht nur zum Einbau von Bauelementen und Festkörperschaltungen in Dünnfilmschaltungen,
sondern auch zum Einbau von einzelnen Bauelementen in Festkörper-und Hybridschaltungen
zu benutzen, z. B. Einbau von Ge- und HI-V-Eleinenten in Si-Planar-Festkörper- oder
Hybridschaltungen. Dadurch lassen sich die Anwendungsmöglichkeiten dieser Schaltung
wesentlich erweitern. Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren zur Verbindung
von Dünnflip-, Festkörper- und Hybridschaltungen untereinander in beliebiger Kombination
zu benutzen.
-
In zwei Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
-
In F i g. 1 ist ein Substrat 1 mit Leitbahnen 2 bedampft, auf die
ein Planattraiisistor mit Kollektbr 3, Basis 4, Emitter 5, Oxydschicht 6 ufnd den
ölutischen Kornakten 7 aufgesetzt ist. Diese Kontakte sind mit den Kontaktbahnen
9 bedampft worden, die genlau auf die 1 teer 1)üt.nfiltnschältung passen. Eine feste
Verbindung än den Kontaktstellen ist nun leicht herzustellen, z. B. durch Löten
riiittels
der auf die Kontakt- oder Leitungsbahnen aufgebrachten
Lötschicht 11.
-
F i g. 2 zeigt eine entsprechende Anordnung mit nur einem Kontakt,
bei dem die Kontaktbahnen am Transistor und die Leitungsbahn der Dünnfilmschaltung
als Stege 9 und 10 ausgebildet sind, die sich kreuzen, z. B. wie im
Bild unter dem Winkel von 90°. Hier erfolgt die Verbindung zwischen dem Kontakt
und den Leitungsbahnen durch Thermokompression. Die Haftfestigkeit ist durch Bekeimung
mit einem Chromfilm 12 verbessert.