DE2238569C3

DE2238569C3 - Verfahren zum Löten einer Halbleiterplatte

Info

Publication number: DE2238569C3
Application number: DE2238569A
Authority: DE
Inventors: Minoru Suita Andu
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1971-08-07
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1981-05-21
Also published as: US3879837A; FR2148480B1; DE2238569B2; CA970079A; DE2238569A1; GB1331028A; FR2148480A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Zusammenbauen eines Transistors oder einer Diode wird eine kleinere Halbleiterpiatte (in der Größenordnung von 0,2 bis 0,5 mm²) gewöhnlich nach dem Wärmedruckverbindungsverfahren mit einem Metallsubstrat verbunden, während eine größere Halbleiterplatte in der Regel mit einem Lötmittel mit dem Metallsubstrat verbunden wird.

Beispielsweise wird eine Germaniumplatte, die sich gut mit eutektäschem Lötmittel aus Blei-Zinn benetzt, unmittelbar an das Metallsubsirat gelö<et, während eine Siliciumplatte, die sich nur schwach mit Lötmitteln benetzt, zuerst in dem Lötabschnitt mit Nickel oder Gold plattiert und dann mit dem Metallsubstrat verlötet wird.

Beim Löten einer Halbleiterplatte mit einem Lötmittel ist es besonders wichtig, daß die gesamte Lötfläche der Halbleiterplatte zur Bildung eines guten Kontaktes gut mit Lötmittel benetzt wird. Verbleibt in dem Lötabschnitt ein Teil, der nicht gut mit Lötmittel benetzt ist, führt dies bei dem fertigen Transistor oder der Diode zu dem Nachteil, daß die Betriebsstromdichte in dem gelöteten Abschnitt ungleichförmig ist. Läßt man einen Impulsstrom mit einem sehr hohen Spitzenwert fließen, wird die Stromdichte örtlich konzentriert und verursacht einen thermischen Durchbruch des Elements.

Bei einem aus der DE-QS 14 89 075 bekannten Verfahren gemäßdem Oberbegrif 1 des Patentanspruchs 1 soll der Einschluß von Gasblasen sowie Flußmittelresten in der Lötmitteischicht vorhindert werden.

Hierzu wird bei diesem Verfahren Lötmittel in Scheibenform zwischen das Metallsubstrat und die Halbleiterscheibe gelegt und das Metallsubstrat im Bereich der Auf lagefläche mit einem eingeprägten Raster aus sich kreuzenden Rillen versehen, durch die Gasblasen und Flußmittelreste abfließen sollen.

Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch der Einschluß von Gasblasen oder Flußmittelresten nicht mit hinreichender Sicherheit verhindert: Beim Erwärmen in einem Ofen kann beispielsweise die Lötmittelscheibe vom Rand her aufschmelzen. Durch das am Rand flüssige Lötmittel könnte das innerhalb der flüssigen Randschicht liegende Volumen vom Außenraum abgeschlossen werden, so daß vorhandene Gasblasen sowie Flußmittelreste teilweise nicht austreten können. Damit kann aber das bekannte Verfahren nicht in allen Fällen eine einschlußfreie Lötmittelschicht gewährleisten.
Ein Verfahren ähnlicher Gattung ist aus der AT-PS

ίο 2 31 568 bekannt Bei diesem Verfahren, das eine einwandfreie Benetzung der Halbleiterplatte und des Metallsubstrats sicherstellen soll, ist eine einlegierte Elektrode gleichzeitig als Lötmittelscheibe ausgebildet Für dieses Verfahren gelten ähnliche Gesichtspunkte wie für das Verfahren gemäß der DE-OS 14 89 075.

Bei einem in der DE-AS 10 64 637 beschriebenen Verfahren ist eine im Metallsubstrat vorgesehene Ausnehmung für das Lötmittel an der Kante des Halbleiters vorgesehen und wird so mit Lot im festen Zustand gefüllt, daß die Halbleiterplatte teilweise auf dem Lot aufliegt Damit wird zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleiterplatte ein Spalt ausgebildet, der sich erst im Verlauf des Schmelzvorganges des Lotes schließt. Bei diesem Eindringen des Lotes zwischen die Halbleiterplatte und das Metallsubstrat ist es sehr leicht möglich, daß Gasblasen eingeschlossen werden, die nicht entweichen kennen und zu den gefürrhteten Fehlstellen führen, die eine Zerstörung des Halbleiterbauelements bei höheren Strombelastungen zur Folge haben können. Die Bildung von Gasbläschen im Lötbereich wird auch dadurch begünstigt, daß das im Innenbereich der Halbleiterplatte vorhandene Lot keine so schnelle Reduzierung durch Umgebungsgas erfährt, wie das im Umfangsbereich der Platte vorhandene Lot, so daß sich letzteres schneller ausbreitet als das im Mittelbereich vorhandene Lot. Durch diese unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit kann es ebenfalls zum Einschluß von Gasblasen kommen.

Ferner beschreibt die DD-PS 67 512 ein Verfahren zum Kontaktieren von' Halbleiterbauelementen, bei dem zum Zweck einer guten Wärmeableitung aus dem Kollektor-pn-Übergang die Kollektorauflage mit mindestens einer Nut versehen ist, die beim Lötvorgang durch Kapillarwirkung einen Teil des Kollektormaterials aufnimmt und hierdurch ein kleiner Abstand zwischen dem Kollektor-pn-Übergang und der Kollektorauflage erreicht wird. Bei diesem Verfahren wird also überschüssiges Lötmittel gewissermaßen in eine Nut gesaugt, wobei aber das beim Lötvorgang schmelzende Kollektormaterial vor dem Lötvorgang als Scheibe zwischen dem Transistorelement und der Metallunterlage angeordnet ist, so daß sich durchaus Blasen an den Lötstellen zwischen dem Transistorelement und dem Kollektormaterial ausbilden können.

Schließlich offenbart die DE-AS 11 27 180 ein Verfahren zum Herstellen von Schaltstücken von Schaltern und insbesondere zum Hartlöten vorzugsweise gesinterter Kontaktplättchen mit deren Träger. Bei diesem Verfahren erfolgt die Zufuhr von mit einer Flamme geschmolzenem Lötmaterial von oben durch eine Bohrung in dem Träger, der sich während des Lötvorgangs oberhalb des Kontaktplättchens befindet.

Durch diese Zufuhr des geschmolzenen Lötmaterials

fts soll erreicht werden, daß das an den Lötspalt herangebrachte Lot das in der späteren Lötstelle unerwünschte Flußmittel vor sich her nach außen treibt und die Lötstelle tollständig von Flußmittel säubert. Beispielsweise

aufgrund der Verwendung einer Flamme zum Erwärmen ist dieses Verfahren jedoch nicht zum Löten von Halbleiterplatten verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Pateritanspruchs 1 so auszubilden, daß eine Blasenbildung in der Lötschicht zwischen der Halbleiterplatte und dc:n Metallsubstrat sicher vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Schritte gelöst. Durch die Zufuhr von geschmolzenem Lötmittel durch die Nut von einer von der Halbleiterplatte entfernten Stelle zu der Auflagefläche zwischen der Halbleiterplatte und dem Metallsubstrat wird zweierlei erreicht- erstens können während der Zufuhr eventuell in dem Lötmittel eingeschlossene Gasblasen austreten; zweitens beginnt das Eindringen in den Spalt zwischen dem Metallsubstrat und der Halbleiterplatte am Rand der Halbleiterpiatte, so daß sich das Lötmittel von dieser Randstelle aus fortschreitend in den Spalt ausbreitet, ohne daß die Gefahr besteht, daß noch unbenetzte Gebiete eingeschlossen werden.

Damit wird in jedem Fall zwischen der Halbleiterplatte und dem Metallsubstrat vorhandenes Gas aus dem Zwischenraum ausgedrängt.

Ferner ist außer dem kapillaren Spalt zwischen Halbleiterplatte und Metallsubstrat außerhalb des Bereichs der Nut kein Spalt vorhanden, der sich durch Absenken der Halbleiterplatte während des Lötvorgangs verringert und zur Einschließung von Gasblasen führen könnte. Außerdem erfährt das Lötmittel bei der Zuführung über die Nut eine Reduzierung und breitet sich aus dem Bereich der Nut unterhalb der Halbleiterplatte gleichmäßig nach allen Seiten im Zwischenraum zwischen der Halbleiterplatte und dem Metallsubstrat aus. Der gesamte Bereich der Lötflächen wird vollständig mit Lötmittel benetzt, so daß ein extrem guter Kontakt gebildet wird und ein thermischer Durchbruch als Folge von Gaseinschlüssen zwischen den Lötflächen ausgeschlossen ist. Die Ausbreitung des Lötmittels durch die Kapillarwirkung auf den gesamten Bereich der Lötflächen gewährleistet zugleich eine extrem kleine Dicke der Lötmittclschicht, was den Wärmewiderstand des fertigen Halbleiterbauelements niedrig hält.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines konventionellen Verfahrens zum Löten einer Halbleiterplatte an ein Metallsubstrat mit einem Lötmittel;

Fig. 2a und 2b zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht gemäß Linie ΙΙέ>-Ι1ί> in Fig. ?a zur Veranschaulichung einer Form des Verfahrens zum Löten einer Halbleiterplatte an ein Metallsubstrat; und

Fig. 3a und 3b zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht nach Linie lllö-lllö in F i g. 3a zur Veranschaulichung einer anderen Form de^c Verfahrens zum Löten einer Halbleiterplatte an ein Metallsubstrat.

In F i g. 1 ist ein konventionelles Verfahren zum Löten einer Halbleiterplatte an ein Metallsubstrat veranschaulicht, bei dem eine Siliciumplatte 1 mit einer Nikkeischicht 2 auf einer Oberfläche plattiert ist und auf einem Metallsubstrat aus Kupfer 3 angeordnet ist, das über eine Lotscheibe 4 als Wärmesenke wirkt. Die Lotscheibe 4 besteht beispielsweise aus einer Blei-Zinn-Legierungsplatte. Über der Siliciumplatte i ist ein Gewicht 5 vorgesehen, um während einer Wärmebehandlung Druck anzulegen. Die Lötung der Siliciumplatte t an das Metallsubstrat wird durchgeführt, indem die obigen Teile einheitlich übereinander gelegt werden, die zusammengesetzte Anordnung in einem Ofen gehalten wird, der mit einer nichtoxidierenden Atmosphäre gefüllt ist, und indem die Anordnung bei einer vorbestimmten Temperatur zum Schmelzen des Lötmittels erhitzt wird (japanische Patentschrift 14 709/64).

Bei diesem Verfahren ist das Schmelzen zwischen der auf die Siliciumplatte 1 plattierten Nickelscnich! und dem Lötmittel 4 jedoch nicht überall gut, und zwar an solchen Abschnitten in der Nickelschicht 2, die nicht

!5 mit Lötmittel benetzt sind. Existieren solche Abschnitte in der Lötfläche, ist die Betriebsstromdichte in der Verbiitdungsfläche in dem fertigen Transistor ungleichmäßig, was die eingangs genannten nachteiligen Folgen hat.

Das Auftreten solcher Abschnitte ist auf Luft oder andere gasförmige Einschlüsse zurückzuführen, die zwischen der Siliciumplatte und dem Metallsubstrat zur Zeit des Obereinanderliegens vorlagen und nicht aus dem Raum zwischen der Siliciumplatte und dem Metallsubstrat entweichen konnten, als das Lötmittel in dem Ofen geschmolzen wurde und die gewünschten Flächen benetzte. Dies ist der Fall, wenn die Luft oder die gasförmigen Einschlüsse von dem geschmolzenen Lötmittel umgeben sind und keinen Weg zum Entweichen finden.

Zur Lösung dieses Problems kann in Erwägung gezogen werden, die Oberfläche des Metallsubstrats zur Erzielung einer Rauhigkeit von einigen 10 μιτι zu behandeln. Wird eine solche Bearbeitung durchgeführt, können aber gerade die hierbei erzeugten konkaven Abschnifte Fallen für die gasförmigen Einschlüsse bilden und das Auftreten von größeren Blasen verursachen.
Mit der Erfindung wird das Problem in der Weise gelöst, daß der Fluß von geschmolzenem Lötmittel während des Lötens gesteuert wird. Ein Lötmittelbad oder eine Lötmittelzufuhr wird in einem Abschnitt eines Metallsubstrats gebildet, der abseits des Abschnitts für die Montage der Halbleiterplatte liegt.

Außerdem ist eine Nut vorgesehen, die von dem Lötmittelbad oder der Lötmittelzufuhr zu dem Abschnitt zur Montage der Halbleiterplatte verläuft, um das geschmolzene Lötmittel den Lötflächen der Halbleiterplatte und des Metallsubstrats zuzuführen.

Eine Ausführungsform des Lötverfahrens ist in den F i g. 2a und 2b veranschaulicht. In einem Trägersubstrat ist ein ausgesparter Abschnitt gebildet, der als Lötmittelbad dient. In dieses Bad eingebrachtes Lötmittel wird geschmolzen und dem Zwischenraum zwisehen den Lötflächen einer Halbleiterplatte und des Trägersubstrats zugeführt, um diese zu verbinden. In den Figuren bzeichnet die Bezugsziffer 6 den ausgesparten Abschnitt und die Bezugsziffer 7 eine Nut, die sich von dem ausgesparten Abschnitt 6 zu dem Abschnitt erstreckt, wo eine Siliciumplatte 1 angeordnet wird. Die Siliciumplatte I wird an einer vorbestimmten Stelle des Metallsubstrats 3 mit dem ausgesparten Abschnitt 6 und der Nut 7 angeordnet. In dem ausgesparten Abschnitt 6 wird eine ausreichende Menge an Lötmittel 8 untergebracht. Auf die Siliciumplatte 1 wird ein geeignetes Gewicht 5 gesetzt, das die Siliciumplatte 1 auf das Metallsubstrat 3 drückt.

Diese mit der Siliciumplatte und dem Lötmittel gebil-

dete Anordnung wird in einem Ofen wärmebehandelt. Der Fluß des Lötmittels wird zum Erreichen einer guten Lötverbindung folgendermaßen gesteuert:

Das Lötmittel wird zunächst geschmolzen und nimmt dabei eine Kugelform an, die sich mit dem Ansteigen der Temperatur ändert. Das Lötmittel wird dann flüssig und beginnt von ι ^%m Lötmittelbad 6 zur Nut 7 zu fließen, die es auffüllt. Von den Abschnitten längs der Nut 7 setzt ein Benetzen der Siliciumplatte 1 und des Metallsubstrats 3 mit dem Lötmittel ein, wobei gasförmige Einschlüsse, die zwischen den Lötflächen vorhanden sind, im Verlauf der Benetzung ausgestoßen werden. Das Lötmittel erstreckt sich dann über die gesamten Lötflächen.

Die Ausdehnung des Lötmittels ist auf die Kapillarwirkung zurückzuführen. Gasförmige Einschlüsse werden bei diesem Ausdehnungsvorgang ausgestoßen, so daß keine Blasen zwischen den Lötflächen verbleiben und ein extrem guter Kontakt hergestellt wird.

F i g. 3a und 3b zeigen eine Variante des Verfahrens nach der Erfindung, die eine weitere Verbesserung erbringt.

Bei dem Verfahren nach F i g. 2a und 2b kann zwar ein guter Kontakt erreicht werden, es kann jedoch vorkommen, daß das Lötmittel aus dem Bad austritt, wenn das Metallsubstrat erschüttert wird, nachdem das Lötmittel aufgebracht wurde, daß das Lötmittel nur schwierig in das Lötbad eingebracht werden kann und daß es im Hinblick auf die Abmessungen des Metallsubstrats schwer ist. einen Raum zur Bildung des Lötbades vorzusehen. Diese Probleme können durch das Verfahren nach F i g. 3a und 3b beseitigt werden, bei dem an Stelle des in den F i g. 2a und 2b gezeigten Lötbades ein hitzefester Aufsatz mit einem geraden Durchgangsloch, das sich zu einem Abschnitt der Nut 7 erstreckt, verwendet und auf dem Metallsubstrat angeordnet wird. Über dieses gerade Durchgangsloch wird der Nut geschmolzenes Lötmittel zugeführt. Gemäß der Darstellung in den F i g. 3a und 3b ist die Siliciumplatte t an einer bestimmten Stelle auf dem Metallsubstrat angeordnet und mit einem feuerfesten Aufsatz 9 abgedeckt. In diesem Aufsatz ist ein Loch gebildet, das aus einem geraden Durchgangsloch 10 und einem Trichter 11 besteht. Der Aufsatz ist derart angeordnet, daß das gerade Durchgangsloch 10 in die Nut 7 mündet, die in dem Metallsubstrat 3 vorgesehen ist. Nach Anordnung des Aufsatzes auf dem Metallsubstrat in der zuvor beschriebenen Weise wird Lötmitte! 8 in den Trichter 11

ίο des in dem Aufsatz 9 gebildeten Loches eingebracht. Die Vorbereitung zum Löten ist damit beendet. Dann wird die Anordnung in einen Ofen gesetzt, um eine vorbestimmte Wärmebehandlung durchzuführen. Das Lötmittel 8 wird bei dieser Wärmebehandlung geschmolzen, so daß es vom Trichter 11 nicht länger gehalten und über das gerade Durchgangsloch !0 der engen Nut 7 zugeführt wird. Die Verbindung der Siliciumplaite 1 mit dem Metallsubstrat 3 erfolgt dann in der zuvor beschriebenen Weise, wobei ein guter Kontakt erhalten wird. Es muß also kein Lötbad auf dem Metallsubstrat gebildet werden, so daß die damit verbundenen erwähnten Nachteile vollständig beseitigt werden.

Gleiche Wirkungen können auch dadurch erhalten werden, daß geschmolzenes Lötmittel in das gerade Durchgangsloch getropft oder Lötmittel vorher in dem geraden Durchgangsloch angeordnet wird.

Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf das Löten einer Siliciumplatte bei der Herstellung eines Siliciumleistungstransistors; das Verfahren kann jedoch in weitem Rahmen auf das Löten von Halbleitern in Halbleitervorrichtungen angewendet werden. Ferner muß die in dem Substrat gebildete enge Nut nicht gerade verlaufen, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Vielmehr können auch sich kreuzende Nuten mit einem Kreuzungspunkt in dem Lötabschnitt oder radial verlaufende Nuten verwendet werden. Wichtig ist das Vorhandensein eines Teils einer Nut unter dem Lötabschnitt des Halbleiterkörpers zur Lötmittelzufuhr.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Löten einer Halbleiterplatte an ein Metallsubstrat, bei dem die Halbleiterplatte oberhalb einer im Metallsubstrat vorgesehenen Nut für das Lötmittel auf das Metallsubstrat aufgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel (8) im geschmolzenen Zustand von einer im Abstand von der Halbleiterplatte (1) angeordneten Stelle durch die Nut (7) der Auflagefläche zwischen der Halbleiterplatte und dem Metallsubstrat zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel in einem im Metallsubstrat (3) vorgesehenen ausgesparten Abschnitt (6) am von der Halbleiterplatte (1) entfernten Ende der Nut geschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel (8) über einen ein gerades Durchgangsloch (10) an die Nut (7) anschließenden Trichter (II) zugeführt wird, der in einem auf das Metallsubstrat (3) gesetzten, feuerfesten Aufsatz (9) ausgebildet ist.