DE1196793B

DE1196793B - Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiter-koerpern fuer Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE1196793B
Application number: DES75481A
Authority: DE
Inventors: Rolf Berkner; Dr Horst Irmler; Winfried Schierz
Original assignee: ELEKTRONIK MBH; Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: ELEKTRONIK MBH; Semikron GmbH and Co KG
Priority date: 1961-08-28
Filing date: 1961-08-28
Publication date: 1965-07-15

Description

Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiterkörpem für Halbleiterbauelemente Die Anwendung von Halbleiterbauelementen als Gleichrichter, elektronische Schalter, Verstärker, Spannungsbegrenzer u. dgl. setzt die einwandfreie, elektrisch sperrfreie Anbringung von Leitungsanschlüssen voraus, die einerseits einen geringen ohmschen Widerstand und eine gute Wärmeableitung aufweisen und andererseits sowohl eine mechanische Zerstörung der meist sehr dünnen Halbleitertabletten als auch ein Ablösen der Kontakte bei häufig auftretenden Temperaturwechseln vermeiden sollen. Zur Lösung dieses Problems ist man verschiedene Wege gegangen, je nach dem Verfahren, mit dem man die pn-Übergänge in dem Halbleiter erzeugL Beim Herstellen des pn-Überganges nach dem Legierungsverfahren plattiert man meist die Halbleitertablette, unter Zwischenlage von Metallfolien aus Aluminium, Gold od. dgl., mit Ronden aus einem Metall mit geringer spezifischer Wärmedehnung, wie Wolfram, Molybdän oder Tantal. Diese Halbleiterbauteile lassen sich dann nicht allzu schwierig unter Verwendung eines Weich- oder Hartlotes in ein meist aus Kupfer, Messing oder Eisen bestehendes Gehäuse einbauen bzw. mit weiteren Leitungsanschlüssen versehen.
Werden die pn-übergänge in dem Halbleiterkörper durch Eindiffundieren von Störstellen erzeugt, so haben sich andere Kontaktierungsverfahren als vorteilhaft erwiesen. So ist es beispielsweise bekannt, Halbleitertabletten aus Siliziumeinkristall, die nach dem Diffusionsverfahren auf einer Seite mit einer hochdotierten p-Schicht und auf der anderen Seite mit einer hochdotierten n-Schicht versehen sind, galvanisch oder elektrodenlos durch Eintauchen in ein Nickelbad mit einer dünnen Nickelschicht zu überziehen, die nach einem anschließenden Einbrennen gut auf dem Silizium haftet. Auf diese dünne Nickelschicht wird dann meist noch eine etwas dickere Nickelschicht galvanisch niedergeschlagen, die ebenfalls eingebrannt wird, Die auf diese Weise mit Nickelelektroden versehenen Halbleitertabletten können dann mit Hilfe eines Weichlotes mit weiteren, insbesondere aus Kupfer bestehenden Leitungsanschlüssen versehen bzw. in ein entsprechendes Metallgehäuse eingebaut werden.
Das im vorausgehenden angegebene Verfahren bereitet bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit kleineren Halbleiterkörpern keine Schwierigkeiten. Hierbei können beide Nickelschichten galvanisch auf die Halbleitertablette aufgebracht werden, wobei als Weichlot Bleilote verwendet werden können, die bei genügender Stärke infolge ihrer Duktilität eine gute überbrückung der unterschiedlichen Wärmedehnung von z. B. Silizium und Kupfer ergeben.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit größeren Halbleiterkörpern treten aber dadurch Schwierigkeiten auf, daß das Aufbringen eines gut haftenden ersten Nickelüberzuges am günstigsten elektrodenlos in einem Phosphorbad vorgenommen wird, wobei durch den in dem Nickel verbleibenden geringen Phosphorgehalt der Nickelüberzug sehr empfindlich gegen Sauerstoff wird. Eine auf diese Weise hergestellte Halbleitertablette läßt sich daher mit einem Bleilot nur sehr schlecht benetzen bzw. löten.
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es bekannt, die Nickelkontakte z. B. galvanisch mit einer dünnen Goldschicht zu versehen, wobei das Gold das Nickel auch vor einer Oxydation bei dem Lötprozeß schützen soll ' Nähere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß auch mit Hilfe einer solchen Goldzwischenschicht das genannte Problem nicht gelöst wird. Insbesondere hat sich gezeigt, daß auf diese Weise kontaktierte Tabletten aus Siliziumeinkristall beim Auftreten häufiger Temperaturwechsel dadurch ausfallen, daß sich das Bleilot sehr bald von dem Nickel ablöst. Die aufgebrachte Goldschicht verbessert also die Haftung zwischen dem Nickel und dem Bleilot nicht, sie wird vielmehr von dem Bleilot schon während des Lötprozesses vollständig aufgelöst, ohne hierbei die Haftung zwischen dem Nickel und dem Bleilot zu verbessern. Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines Goldüberzuges besteht darin, daß das Bleilot durch das aufgenommene Gold stärker zu einer Grobkombildung neigt, so daß es bei häufigem Temperaturwechsel selbst frühzeitig ermüdet. Die durch die Anwendung eines Goldüberzuges entstehenden Mängel lassen sich auch bei Verwendung von Flußmitteln nicht beseitigen.
Bei der Herstellung von legierten Gleichrichtern ist es ferner bekannt, als Elektrodenmaterial Molybdän, Wolfram und insbesondere Tantal zu verwenden. Um hierbei das Tantal von den für die Dotierung der Silizium- oder Germaniumtablette vorgesehenen Loten benetzbar zu machen, hat man vorgeschlagen, das Tantal vorher mit einer dünnen Schicht aus Gold, Silber, Indium oder Zinn zu versehen. Nach einem anderen bekannten Verfahren soff das Tantal zuerst mit einer Schicht aus Nickel, Eisen oder Kobalt versehen werden, auf die dann die Gold-, Silber-, Indium- oder Zinnschicht aufgebracht wird. Diese dünnen Schichten aus Gold, Silber usw. werden aber unmittelbar beini Berühren mit dem Lot von diesem gelöst, so daß das Lot unmittelbar mit der Tantalschicht oder der Schicht des Eisens, Nickels oder Kobalts in Berührung kommt. Auf diese Weise hergestellte Lötungen mit Bleiloten neigen aber bei thermischer Wechselbelastung zur Ermüdung und Ablösung.
Auf der Suche nach einem geeigneten Weichlot sind von dem Erfinder auch Versuche mit Zinnloten durchgeführt worden, obwohl diese den Nachteil aufweisen, daß sie wenig duktil sind, sich in der Ätzflüssigkeit für das Silizium lösen und dadurch die Sperrfähigkeit des Halbleiters verschlechtern. Gegenüber den Bleiloten haben solche Zinnlote zwar den Vorteil einer besseren Haftung auf dem Nickel, nachteilig ist aber, daß Zinnlote und ebenso eine eutektische Blei-Zinn-Legierung nur wenig duktil sind. Diese eignen sich daher nicht so gut wie Bleilote als Puffermetall zur überbrückung der sehr unterschiedlichen Wärmedehnung des Halbleiters einerseits und des Kupfers, Messings oder Eisens andererseits.
Zur Lösung des geschilderten Problems wird ein Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiterkörpern für Halbleiterbauelemente, vorzugsweise aus Siliziumeinkristall, bei dem der Halbleiterkörper über eine aufgebrachte Nickelschicht mittels eines Bleilotes mit den weiteren Leitungsanschlüssen sperrfrei elektrisch leitend verbunden wird, vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß vor dem eigentlichen Lötprozeß auf das Nickel eine Zinnschicht von maximal 20 [t Stärke aufgebracht und bei einer Temperatur zwischen 250 und 4001 C eingebrannt wird.
Es hat sich gezeigt, daß das Zinn eine sehr gute Benetzung mit dem Nickel ergibt und daß auf die mit einer dünnen Zinnschicht versehene Nickelschicht auch mit einem Bleilot gut gelötet werden kann. Wesentlich ist hierbei, daß nur eine sehr dünne Zinnschicht aufgebracht wird, die höchstens 20 [t und vorzugsweise nur 1 bis 5 [t stark sein soll. Im Vergleich zu der hierbei verwendeten Folie aus Bleitlot soll die Stärke der Zinnschicht nur etwa 1 bis 21/o ausmachen. Die bei relativ hoher Temperatur auf das Nickel eingebrannte dünne Zinnschicht aktiviert offenbar dessen Oberfläche unter Bildung einer mit Zinn angereicherten Phase, so daß jetzt auch das Bleilot so gut haftet, daß es sich bei späteren häufigen Temperaturwechseln nicht von dem Nickel ablöst. Andererseits treten durch den geringen Zusatz an Zinn von etwa 1 bis 2 1/o, die beim Ätzen mit Zinnloten beobachteten Nachteile praktisch noch nicht auf. Auch tritt durch die Aufnahme des Zinns in dem Bleilot praktisch keine Grobkombildung und damit ,eine vorzeigite Ermüdung dieses Lotes ein.
Das Aufbringen der dünnen Zinnschicht auf die mit einem Nickelüberzug versehenen Halbleitertabletten und das anschließende Einbrennen bereitet keine Schwierigkeit. So kann der Zinnüberzug beispielsweise durch Eintauchen der mit dem Nickelüberzug versehenen Halbleitertablette in flüssiges Zinn erfolgen. Um hierbei ein Ablösen des Nickels von dem Halbleiter zu vermeiden, wird das Zinnbad zweckmäßig vorher mit Nickel gesättigt. Die Nickeloberfläche wird vor dem Eintauchen in das Zinnbad vorher gründlich gereinigt. Eine besonders gute Haftung des Zinns an dem Nickel wurde bei einem vorausgehenden Ätzen des Nickels mit konzentrierter Essig- oder Salzsäure erzielt. Das Zinnbad wird zweckmäßig durch ein Flußmittel abgedeckt. Hierfür hat sich als sehr vorteilhaft Ammoniumfluorid erwiesen.
Die dünne Zinnschicht kann außer durch das geschilderte Tauchverfahren auch galvanisch oder durch Aufspritzen auf die Nickelschicht aufgebracht werden.
Zum Einsparen von Arbeitsgängen kann ferner das Einbrennen der Zinnschicht zusammen mit dem Einbrennen der vorausgehenden Nickelschicht gleichzeitig erfolgen. Hierfür hat sich eine Einbrenntemperatur von 350 bis 400' C als günstig erwiesen.
Für das anschließende Löten mit einem Weichlot haben sich Blei-Silber-Lote mit einer eutektischen Zusammensetzung, bestehend aus 97,5 % Blei und 2,5 % Silber, als sehr günstig erwiesen. Weiterhin eignen sich auch Dreistofflegierungen mit Blei, Silber und Kupfer sehr gut als Weichlot, deren Zusammensetzung im günstigsten Fall mit 97% Blei, 2,51/o Silber und 0,5 1/o Kupfer angegeben werden kann.
Die Herstellung eines Gleichrichters mit einer nach dem Diffusionsverfahren mit einem pn-Übergang versehenen Siliziumhalbleitertablette vollzieht sich nach der Erfindung etwa in folgender Weise: Die auf einer Seite p-dotierte und auf der anderen Seite n-dotierte Siliziumtablette wird beispielsweise durch Eintauchen in ein Nickelbad mit einer dünnen Nickelschicht überzogen, die anschließend bei einer Temperatur, die bis zu 8001 C betragen kann, eingebrannt wird. Auf diese Nickelschicht wird anschließend eine zweite dickere Nickelschicht galvanisch aufgebracht. Sodann wird die Tablette in ein Zinnbad getaucht, das vorher mit Nickel gesättigt wurde. Wie bereits erwähnt, kann zum gründlichen Reinigen des Nickels die Tablette vorher in konzentrierte Essigsäure oder Salzsäure eingetaucht werden. Für das Verzinnen wird zweckmäßig als Flußmittel Ammoniumfluorid benutzt. Die Zinnschicht soll hierbei vorzugsweise 1 bis 5 li stark sein. Anschließend wird die Nickel- und Zinnschicht bei einer Temperatur, die in diesem Falle 350 bis 4001 C betragen soll, eingebrannt. Daraufhin wird die Tablette in bekannter Weise durch einen Schneid- oder Läppprozeß oder durch Ultraschallbohren unterteilt. Diese Unterteilung kann auch auf elektrolytischem oder chemischem Wege nach Abdecken durch eine von dem Ätzmittel nicht lösbaren Kunststoffschicht erfolgen. Die so gewonnenen Gleichrichtertabletten können dann in ein Gehäuseunterteil eingelötet werden, das beispielsweise aus Kupfer, Messing oder Eisen besteht. Die eingelöteten Gleichrichter werden dann einer Ätzbehandlung unterworfen und gekapselt.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt sich nicht auf das Kontaktieren von Halbleitermaterial mit nur einem pn-übergang, sondem läßt sich auch auf Transistoren, Vierschichtanordnungen od. dgl. übertragen. Auch lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Halbleiteranordnungen, die nicht aus Einkristalknaterial bestehen, mit Leitungsanschlüssen durch Weichlöten verbinden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiterkörpem für Halbleiterbauelemente, vorzugsweise aus Siliziumeinkristall, bei dem der Halbleiterkörper über eine aufgebrachte Nickelschicht mittels eines Bleilotes mit den weiteren Leitungsanschlüssen sperrfrei elektrisch leitend verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem eigentlichen Lötprozeß auf das Nickel eine Zinnschicht von maximal 20 R Stärke aufgebracht und bei einer Temperatur zwischen 250 und 400' C eingebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht 1 bis 5 R stark ist und nur etwa 1 bis 2 1/o der Stärke der für den eigentlichen Lötprozeß benutzten Bleilotfolie ausmacht. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Zinnschicht im Tauchverfahren, galvanisch oder durch Aufspritzen erfolgt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß bei Anwendung des Tauchverfahrens das Zinn vorher mit Nickel gesättigt wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Nickelüberzug vor dem Aufbringen der Zinnschicht in konzentrierter Essigsäure oder Salzsäure geätzt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Flußmittel für das Zinn Ammoniumfluorid benutzt wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bleilot eine eutektische Blei-Silber-Legierung mit 97,5 % Blei und 2,511/o Silber verwendet wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bleilot eine eutektische Blei-Silber-Kupfer-Legierung mit 97,0 % Blei, 2,5 % Silber und 0,5 1/o Kupfer verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 793 420, 2 863 105; belgische Patentschrift Nr. 529 342; britische Patentschrift Nr. 846 448.