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Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen Die Erfindung
bezieht sich auf die Verbesserung des Verfahrens zum Herstellen von Halbleiterbauelementen,
bei welchen ein Träger des Halbleiterelementes zur mechanischen Verbindung des Bauelementes
mit einem weiteren Träger bzw. einem Kühlkörper durch eine Verschraubung oder eine
Einspannung vorgesehen ist.
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Das Halbleiterbauelement kann dabei z. B. eine Diode, eine Triode
bzw. ein Transistor oder auch ein Halbleiterstromtor sein, wobei das einzelne Halbleiterelement
auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium oder eines ähnlichen
Halbleiterwerkstoffes hergestellt sein kann.
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Das Halbleiterelement ist an dem Halbleiterbauelement gewöhnlich in
ein besonderes Gehäuse bzw. eine Fassung eingeschlossen, die zur Bildung einer Wärmeleitbrücke
zu einem weiteren Kühlkörper oder Träger dient und eventuell auch gleichzeitig als
elektrischer Anschluß des Halbleiterbauelementes benutzt wird: Für einen guten Wärmeübergang
oder/und elektrischen Stromübergang von geringem Widerstandswert ist es notwendig,
daß der Träger des Halbleiterelementes durch die mechanische Spannvorrichtung bzw.
die Schraubverbindung an den ihm im Aufbau als Träger nachfolgenden Körper bzw.
Kühlkörper mit einem ausreichenden Druck festgespannt bzw. angepreßt wird. Daraus
ergibt sich aber, daß die mechanische Verbindung der Fassung mit dem weiteren Träger
bei der Herstellung der Verbindung eine starke mechanische Beanspruchung der metallischen
Fassung mit sich bringen kann. Selbst wenn nun die metallische Fassung zunächst
aus einem Körper hergestellt ist, dessen Werkstoff und Formgebung an sich solche
Festigkeitseigenschaften gewährleisten sollten, wie sie an dem Körper für seine
mechanische Beanspruchung vorausgesetzt werden müssen, kann es sich, wie die Erfahrung
gelehrt hat, während des Fertigungsprozesses der Anordnung ergeben, daß jene Festigkeitseigenschaften
an der metallischen Fassung durch eine an der Halbleiteranordnung vorzunehmende
Wärmebehandlung verlorengehen können. So hat sich z. B. gezeigt, wenn ein solcher
metallischer Gehäuseteil. bzw. Träger des Halbleiterelementes aus einem Kupferkörper
hergestellt war und einen ausladenden Gewindebolzen aufwies, daß bei der Herstellung
der Verschraubung eine unerwünschte Dehnung an dem Schraubenbolzen entstand, weil
an dem Kupferkörper, trotzdem er ursprünglich aus einem Werkstoff mit den für die
Schraubverbindung erwünschten Festigkeitseigenschalten hergestellt war, durch den
Wärmebehandlungsprozeß, der für die Verlötung der in ein Gehäuse einzuschließenden
Halbleiteranordnung am Boden dieses genannten Gehäuseteiles vorgenommen wurde, eine
solche nachteilige Beeinflussung des Gefüges des Werkstoffes stattgefunden hatte,
daß die am Werkstoff angenommenen Festigkeitseigenschaften nach der Fertigstellung
der Halbleiteranordnung nicht mehr vorhanden waren.
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Solche Mangelerscheinungen können jedoch bei einem Verfahren zum Herstellen
von Halbleiterbauelementen der eingangs angeführten Art dadurch überwunden werden,
daß erfindungsgemäß der Träger des Halbleiterelementes aus einer thermisch aushärtbaren
Kupferlegierung hergestellt und vor oder nach seiner Verlötung mit dem Halbleiterelement
in seinen ausgehärteten Zustand übergeführt wird.
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Als eine solche thermisch aushärtbare Kupferlegierung eignen sich
für das erfindungsgemäße Verfahren z. B. solche auf der Kupfer-Chrom-Basis.
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Solche Legierungen haben die Eigenschaft, daß sie selbst, nachdem
sie über eine gewisse Zeitdauer einer erhöhten Temperatur ausgesetzt und anschließend
einer z. B. normalen Abkühlung in Luft unterworfen worden waren, an ihren Festigkeitseigenschaften
nichts verloren hatten, und selbst wenn sie über eine gewisse obere Temperaturgrenze
hinaus erhitzt wurden, ihre Festigkeitseigenschaften, beurteilt nach der Brinellhärte,
nur relativ wenig in diesem Wert absinken. Das bedeutet aber, daß bei Verwendung
eines solchen Werkstoffes für den Träger des Halbleiterelements nunmehr unbedenklich
irgendwelche Wärmebehandlungsprozesse an dem Aufbau einer solchen Anordnung vorgenommen
werden können. Insbesondere kann also z. B. ganz
unbedenklich irgendein
Lötprozeß durchgeführt werden, ohne befürchten zu müssen, daß auf diese Weise die
vorher durch die Auswahl des Werkstoffes für den Träger des Halbleiterelements in
Rechnung er
stelltenFestigkeitseigenschaften nicht gewährleistet bleiben.
Damit kann dann aber unbedenklich in vorbestimmten Grenzen eine mechanische Anpressung
des Trägers des Halbleiterelements bzw. des diese einschließenden Gehäuseteiles
an einem weiteren Träger, einem Gerüst oder/und einem Kühlkörper vorgenommen werden,
auch wenn der erstgenannte Träger integrierender Bestandteil der mechanischen Verbindung,
z. B. der Schraubverbindung ist, ohne das Eintreten der nachteiligen Erscheinung
befürchten zu müssen, daß gegebenenfalls in der Anordnung bei der für die Erzielung
des erwünschten Anpreßdruckes notwendigen mechanischen Beanspruchung an dem Werkstoff
des Gehäuseteiles die Fließgrenze unerwartet erreicht oder noch überschritten wird.
Im Interesse der Eindeutigkeit des Anpreßdruckes wird gewöhnlich die Befestigung
solcher Halbleiterbauelemente an einem weiteren Träger unter Benutzung eines Drehmomentenschlüssels
ausgeführt, so daß also immer ein eindeutiges Maß für die bei der Anpressung aufgewendete
Kraft vorliegt. Die Anwendung der aushärtbaren Kupferlegierung für den Träger gewährleistet
dann, daß die betriebsmäßig bei der Anpressung erwarteten Werte an der gegenseitigen
Berührungsstelle der vom Träger des Halbleiterelements und dem weiteren Träger mit
Sicherheit erreicht werden können und auch betriebsmäßig gewährleistet bleiben.
Damit kann dann im Betrieb insbesondere stets mit einer eindeutigen wirksamen Abfuhr
der an dem Halbleiterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme gerechnet werden,
und eine Gefährdung des Halbleiterelements durch Übertemperaturen kann nicht eintreten.
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Solche aushärtbaren Kupfer-Chrom-Legierungs-Werkstoffe haben außerdem
die Eigenart, daß sie durch eine bestimmte Temperaturbehandlung erst in den ausgehärteten
Zustand übergeführt werden, z. B. durch ein mehrstündiges, etwa dreistündiges Erhitzen
auf etwa 450° C.
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Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann bei der erfindungsgemäßen
Anwendung des aushärtbaren Kupfers für einen Träger eines Halbleiterelements erstens
in der Weise vorgegangen werden, daß der Träger aus dem aushärtbaren Kupferwerkstoff
zu einem Zeitpunkt hergestellt wird, wo der Werkstoff noch nicht ausgehärtet ist.
Das ergibt den Vorzug, daß der Werkstoff sich relativ leicht ver-bzw. bearbeiten
läßt. So läßt sich insbesondere eine erforderliche Verspanung schnell und mit einfachen
Werkzeugen durchführen und ein solcher Teil relativ billig entweder im Verlaufe
eines Drehprozesses oder/und eines Drück- oder Schlagprozesses herstellen. Auch
die Erzeugung eines Schraubengewindes an diesem Träger läßt sieh auf diese Weise
verhältnismäßig einfach und schnell durchführen. Nachdem dieser Träger dann in seinen
formenmäßigen Endzustand übergeführt worden ist, kann die Aushärtung des Teiles
vorgenommen werden. Diese Aushärtung kann gegebenenfalls auch erst dann stattfinden,
nachdem die mechanische Verbindung zwischen dem eigentlichen Halbleitersystem gegebenenfalls
über eine besondere mechanisch stabilisierende Trägerplatte aus einem Werkstoff
mit einem demjenigen des Werkstoffes des Halbleiterkörpers nahe benachbarten thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, z. B. beim Vorliegen eines Halbleitersystems auf der Basis
eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium aus Molybdän, Wolfram
oder Tantal und dem Träger aus aushärtbarem Kupfer im Verlaufe eines Weichlöt- oder
Hartlötprozesses vorgenommen worden ist. Bei dieser nachträglichen Aushärtung muß
jedoch im allgemeinen in Betrag gezogen werden, daß gewöhnlich nur eine einmalige
Temperaturbeanspruchung dieses Werkstoffes für seine Aushärtung möglich ist, da
im anderen Falle erst wieder ein besonderer Glühprozeß, z. B. bei etwa 1000° C,
mit anschließender Abschreckung vorgenommen werden muß, um das Material für einen
weiteren Aushärtungsprozeß geeignet zu machen.
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Es kann jedoch für die Verwirklichung der Erfindung auch in der Weise
vorgegangen werden, daß von einem Halbfabrikat in Form eines ausgehärteten Kupferkörperrohlings
ausgegangen wird, der entsprechend für die Formgebung als Träger bearbeitet wird.
Er stellt mit der Fertigstellung seiner Formgebung unmittelbar den Körper dar, der
unbedenklich den weiteren thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, wie sie sich
beispielsweise bei einem Lötprozeß an einer solchen Halbleiteranordnung bis zu einer
Temperatur von etwa 400° C ergeben können. Bei Lötungen, deren Vorgang nur eine
kurze Zeitdauer von etwa einigen Minuten beansprucht, kann jedoch der genannte Temperaturwert
auch noch z. B. um einige hundert Grade überschritten werden. Es ist auf diese Weise
bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens auch möglich, den Kupferkörper bereits
im Verlaufe des Legierungsprozesses für die Dotierung des Halbleiterkörpers zur
Erzeugung seiner Zonen abweichenden Dotierungsgrades oder abweichenden elektrischen
Leitungstyps zeit dem Halbleitersystemaufbau zu einer Baueinheit zu verlöten bzw.
zu legieren, ohne daß Schäden oder Mängel in den Festigkeitseigenschaften des Kupferkörpers
eintreten.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
wird auf die Zeichnung Bezug genommen.
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In dieser bezeichnet 1 einen Träger, welcher das eigentliche Halbleiterelement,
z. B. eine durch Legierung hergestellte Siliziumdiode, trägt, die mit 2 bezeichnet
ist. Dieser Träger 1, der für die Vornahme der Schraubverbindung mit einem ausladenden
Schraubenbolzen 3 versehen ist, wurde aus aushärtbarem Kupfer hergestellt.
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Die Siliziumdiode 2 besteht .von unten nach oben z. B. aus einem Wolframkörper
2 c, einer Aluminiumelektrode 2 b, dem Siliziumhalbleiterkörper 2 c, einer Goldantimonschicht
2 d und einem Wolfram körper 2 e. Dieses System ist über die Hartlotschicht
4 mit dem Kupferkörper l und über die Hartlotschicht 5 mit der Kupferanschlußelektrode
6 verbunden.