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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum sperrfreien Verbinden
eines Halbleiterkörpers mit einer metallischen Tragplatte, insbesondere mit der
metallischen Bodenplatte eines Gehäuses, bei Halbleiterbauelementen, wobei die Tragplatte
mit einem Überzug aus einem Metall versehen und zwischen den Halbleiterkörper und
den Überzug ein Metallplättchen gelegt wird, das mit dem Material des Halbleiterkörpers
ein niedrigschmelzendes Eutektikum bildet, und wobei die Tragplatte über die Temperatur
dieses Eutektikums erhitzt wird.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
aus Silizium bekanntgeworden, bei dem die Verbindung zwischen Halbleiter und Tragplatte
dadurch erreicht wird, daß der Tragplatte ein Goldüberzug eingebrannt und dann die
Schichtfolge aus Halbleiter, Goldfolie und goldüberzogener Tragplatte bei Temperaturen
-von etwa 700°C zusammenlegiert wird.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die Tragplatte mit einem
Silberüberzug versehen und der Halbleiterkörper mit einer Goldschicht zusammenlegiert.
Die Verbindung zwischen der so präparierten Tragplatte und der Halbleiter-Gold-Legierung
erfolgt dann unter Verwendung eines zusätzlichen Goldplättchens bei Temperaturen
zwischen 400 und 500° C.
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Bei beiden Verfahren erfolgt also die mechanische Verbindung zwischen
Halbleiterkörper und Tragplatte mittels eines Zusammenlegierens zwischen Halbleiter-Gold-Legierung
und Gold.
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Um den Halbleiterkörper eines Halbleiterbau-' elementes, z. B. eines
Transistors, mit einer Tragplatte, die meist gleichzeitig die Bodenplatte eines
Gehäuses bildet, -zu verbinden, wurde bisher so vorgegangen, daß die Bodenplatte
mit einem metallischen Überzug versehen wurde, der das Auflegieren des Halbleiterkörpers
auf die Bodenplatte bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht und der außerdem
aus einem Metall bestehen soll, das keine störenden Verunreinigungen in den Halbleiter
bringt. Weiter soll durch den Überzug auch die Eindiffusion von Verunreinigungen
aus. der Tragplatte in den Halb= leiterkörper verhindert werden. Auf diese insbesondere
mit einem Goldüberzug versehene Tragplatte wird der Halbleiterkörper mit Hilfe einer
Pinzette, insbesondere einer Saugpinzette, aufgedrückt und gleichzeitig das System
auf eine oberhalb der eutektischen Temperatur des Systems Halbleiter-Metall liegende
Temperatur erhitzt. An der Berührungsstelle zwischen dem Halbleiterkörper und dem
Metallüberzug bildet sich dann ein flüssiges Eutektikum. Die Temperatur der Bodenplatte
muß nun unter die Erstarrungstemperatur des Eutektikums erniedrigt werden, bevor
der Halbleiterkörper von der Pinzette freigegeben werden kann;' da sonst infolge
von Kapillar> kräften das dünne, den Halbleiterkörper bildende Kristallplättchen
hochschwimmt. Dadurch kann seine Lage in ungünstiger Weise verändert werden. Weiter
hat das Hochschwimmen auch zur Folge, daß eine relativ dicke Schicht aus dem Eutektikum
zwischen Halbleiterkörper und Tragplatte verbleibt, die vor allem deshalb ungünstig
ist, weil dadurch die Wärmeableitung zur Tragplatte hin erheblich verschlechtert
wird. Das Abkühlen der Bodenplatte bis unter die Erstarrungstemperatur des Eutektikums
ist jedoch in der Massenfertigung schwierig durchzuführen und benötigt vor allen
Dingen Zeit.
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Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung ein
Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem das Metallplättchen
völlig gelöst und als Überzug ein Metall verwendet wird, welches sich unter Erhöhung
des Schmelzpunktes in der Metallplättchen-Halbleiter-Legierung löst, so daß die
entstehende Metallplättchen-Halbleiter-überzugsmetall-Legierung bereits vor Abkühlung
der Tragplatte rasch erstarrt.
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Bei diesem Verfahren wird also der Halbleiterkörper unter Zwischenlage
eines Metallplättchens aufgesetzt, das mit dem Material des Halbleiterkörpers eine
niedrigschmelzende eutektische Legierung bildet. Außerdem soll das Plättchen aus
einem Metall bestehen, das keine störenden Verunreinigungen im Halbleiterkörper
erzeugt. Der Schmelzpunkt der Eutektikumslegierung soll dabei vor allen Dingen unter
derjenigen Temperatur liegen, die bei der Herstellung der pn-übergänge des Systems
durch Legieren oder Diffusion angewendet wird, da sonst während des Auflegierens
des Halbleiterkörpers auf die Tragplatte die Lage der pn-übergänge und damit die
Parameter des Halbleiterbauelementes in unerwünschter Weise beeinflußt. werden.
Weiter ist das Metallplättchen, das als Zwischenlage dient, sehr dünn ausgebildet,
um zu gewährleisten, daß es sich beim Erhitzen vollständig unter Bildung der Eutektikumslegierung
löst. Nach vollständiger Auflösung des als Zwischenlage dienenden Plättchens löst
sich auch das Metall des Überzugs in der Legierung. Da gemäß der Erfindung für den
Überzug ein Metall verwendet wird, das, wenn es in der Eutektikumslegierung gelöst
wird, eine Erhöhung des Schmelzpunktes dieser Legierung bewirkt, erstarrt nunmehr
diese Legierung. -Dieser Vorgang erfolgt sehr rasch. Die Lage des Halbleiterkörpers
ist nun in bezug auf die Tragplatte eindeutig festgelegt, und das Werkzeug, das
zum Aufdrücken des Halbleiterkörpers auf die Bodenplatte dient, kann entfernt werden,
ohne daß eine Abkühlung der Bodenplatte notwendig ist. Dies hat den Vorteil, daß
die Bodenplatte langsam auf konstante Temperatur aufgeheizt werden kann und auf
dieser Temperatur gehalten werden kann, bis die Lage des Halbleiterkörpers eindeutig
festliegt. Dann kann eine langsame Abkühlung der Bodenplatte erfolgen. Dadurch können
die technischen Einrichtungen vereinfacht werden. Das langsame Abkühlen der Tragplatte
ist vor allem dann besonders günstig, wenn die Tragplatte gleichzeitig die Bodenplatte
des Gehäuses bildet und mit Glaseinschmelzungen für die Elektrodendurchführungen
versehen ist. Durch den Temperaturschock, der durch ein schnelles Abkühlen der Bodenplatte
erfolgt, werden nämlich leicht Undichtigkeiten an den Glaseinschmelzungen hervorgerufen,
die beim Verfahren gemäß der Erfindung vermieden werden.
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Gegenüber dem Bekannten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren
vor allem dadurch aus, daß durch den vorgeschlagenen Überzug eines Metalls mit schmelzpunkterhöhender
Wirkung bei vorgegebener Temperatur der Tragplatte und damit der Metallplättchen-Halbleiter-Legierung
ein sofortiges Erstarren unter Bildung einer mechanisch stabilen Verbindung erreicht
wird.
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Beim Verfahren gemäß der Erfindung hat sich bei der Verwendung eines
Halbleiterkörpers aus Silizium für das Metall des Plättchens, das zwischen dem Halbleiterkörper
und der Tragplatte aufgelegt wird, Gold als besonders günstig erwiesen. Für den
Überzug
wird gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der
Erfindung Silber verwendet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Halbleiterkörper auch
aus Germanium bestehen. Für das Metall des Plättchens kann dann ebenfalls Gold und
als Überzug Silber verwendet werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann zur sperrschichtfreien Verbindung
von Halbleiterkörpern von Halbleiterbauelementen angewendet werden, bei denen der
Halbleiterkörper direkt mit einer Tragplatte verbunden werden soll. Besonders günstig
ist die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens beim Aufbringen von Mesa- oder
Planarsystemen auf eine Tragplatte.
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Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Figuren gegeben.
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In der F i g. 1 ist ein Planartransistor dargestellt, der aus einem
Siliziumkörper 4 besteht, der die Kollektorzone eines Transistors bildet und in
dem durch Diffusion nach der an sich bekannten Planartechnik eine Basiszone 5 und
eine Emitterzone 6 erzeugt sind. Mit 7 ist die Siliziumdioxydschicht bezeichnet,
die den pn-übergang in den Bereichen, in denen er an die Oberfläche tritt, schützt.
Der Transistor ist mit einer Basiselektrode 10, die mit einem Anschluß 11 verbunden
ist, und einer Emitterelektrode 8, die mit einem Anschluß 9 verbunden ist, versehen.
Die z. B. aus Vacon oder Molybdän bestehende Tragplatte 1
ist mit einem Überzug
2 aus Silber versehen. Zwischen dem Siliziumkörper 4 und dem Silberüberzug 2 der
Tragplatte 1 ist ein Goldplättchen 3 angeordnet, dessen Dicke etwa 20 #t beträgt.
Die Flächenausdehnung des Plättchens ist dabei möglichst gleich oder nur wenig größer
als die Berührungsfläche des Halbleiterkörpers 4 mit dem Goldplättchen. Bei diesem
System wird nun die Tragplatte 1 auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der eutektischen
Temperatur von Silizium und Gold, also oberhalb 370° C, liegt. Dabei wird das Halbleitersystem
mit einer Pinzette, insbesondere einer Saugpinzette, auf die Bodenplatte 1 aufgedrückt.
An der Berührungsstelle zwischen dem Halbleiterkörper 4 und dem Goldplättchen
3 bildet sich nun ein flüssiges Gold-Silizium-Eutektikum. Die Dicke des Goldplättchens
und die Dauer der Erhitzung werden dabei gemäß der Erfindung so gewählt, daß das
Goldplättchen völlig gelöst wird. Nun löst sich in diesem flüssigen Gold-Silizium-Eutektikum
das Silber des mit 2 bezeichneten Überzugs. Dabei steigt der Schmelzpunkt der Flüssigkeit
an, und sie erstarrt. Dieser Vorgang erfolgt in etwa 5 Sekunden, also sehr rasch
und ohne Abkühlung der Bodenplatte 1.
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In F i g. 2 ist ein Siliziumplanartransistor dargestellt, der nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung auf eine Bodenplatte 17 eines Gehäuses
auflegiert ist. Die Bodenplatte kann dabei z. B. aus Vacon oder Molybdän bestehen,
das wegen seiner großen Wärmeleitfähigkeit besonders günstig ist. Die Bodenplatte
17 ist mit Glaseinschmelzungen 14 und 15 versehen, durch die die Zuleitungen 13
und 12 für den Basis- und den Emitteranschluß des Transistors hindurchgeführt sind.
Da das Halbleitersystem gegen die Bodenplatte 17 gedrückt wird, bis durch Auflösen
des Silbers aus dem Überzug 2 .im Gold-Silizium-Eutektikum die Legierung erstarrt,
wird das Gold-Silber-Eutektikum an den Seitenflächen des Halbleiterkörpers 4 emporgezogen,
wie dies an den mit 16 bezeichneten Stellen in der F i g. 2 angedeutet ist. Die
Schicht 18, die im wesentlichen aus einer Gold-Silizium-Silber-Legierung besteht
und die nach dem Erstarren zwischen der Bodenplatte 17 und dem Halbleiterkörper
4 verbleibt, ist relativ dünn, so daß die Wärmeableitung von der Kollektorelektrode
zur Bodenplatte des Gehäuses durch diese verbleibende Zwischenschicht nicht wesentlich
gestört wird.