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DE3917765C2 - Method for connecting two disk-shaped bodies made of materials with different coefficients of thermal expansion and its use - Google Patents

Method for connecting two disk-shaped bodies made of materials with different coefficients of thermal expansion and its use

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Publication number
DE3917765C2
DE3917765C2 DE3917765A DE3917765A DE3917765C2 DE 3917765 C2 DE3917765 C2 DE 3917765C2 DE 3917765 A DE3917765 A DE 3917765A DE 3917765 A DE3917765 A DE 3917765A DE 3917765 C2 DE3917765 C2 DE 3917765C2
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DE
Germany
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disc
shaped
thermal expansion
shaped bodies
disk
Prior art date
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DE3917765A
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German (de)
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Reinhold Dr Kuhnert
Herbert Dr Schwarzbauer
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Publication of DE3917765A1 publication Critical patent/DE3917765A1/en
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Publication of DE3917765C2 publication Critical patent/DE3917765C2/en
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von zwei scheibenförmigen Körpern aus Materialien unterschiedli­ cher thermischer Ausdehnungskoeffizienten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dessen Verwendung.The invention relates to a method for connecting two disc-shaped bodies made of different materials cher thermal expansion coefficient according to the preamble of claim 1 and its use.

Ein Verfahren dieser Art, das zum Befestigen von Halbleiter­ bauelementen auf metallischen Substraten dient und als Diffu­ sionsschweißverfahren bezeichnet wird, ist in der DE 33 25 355 A1 beschrieben. Ein anderes Verfahren dieser Art, das unter der Bezeichnung "Drucksinterverfahren" bekannt ge­ worden ist, ist dem US-A-4 810 672 zu entnehmen. Es kann bei­ spielsweise dazu verwendet werden, um elektronische Bauelemen­ te, insbesondere großflächige Leistungshalbleiter, mit metal­ lischen Substraten zu verbinden. Darüberhinaus werden Ver­ fahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ganz all­ gemein dazu verwendet, um zwei scheibenförmige Körper aus Materialien unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffi­ zienten, z. B. aus zwei unterschiedlichen metallischen Werk­ stoffen, miteinander zu verbinden. Solche Verfahren führen zwar zu sehr dauerhaften Verbindungen, weisen jedoch generell den Nachteil auf, daß die bei der erforderlichen Verbindungs­ temperatur miteinander verbundenen scheibenförmigen Körper beim Abkühlen infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten in einen Spannungszustand geraten, der zu Ver­ wölbungen führt. Dieser Nachteil tritt um so stärker hervor, je mehr sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden und je größer der Unterschied zwischen der Ver­ bindungstemperatur und der Betriebstemperatur des zusammenge­ fügten Körpers ist. Besonders störend sind die Verwölbungen dann, wenn einer der scheibenförmigen Körper aus einer Halb­ leiterscheibe besteht, die mit oberflächenseitig integrierten MOS-Strukturen versehen ist und mit entsprechenden Metallisie­ rungsstrukturen versehen werden soll. So ist z. B. eine Her­ stellung der Strukturen durch Anwendung von photolithographi­ schen Schritten und Ätztechniken mit Genauigkeiten im Bereich von µm nicht mehr möglich.A method of this type, that for fastening semiconductors components on metallic substrates and serves as a diffuser Sionsschweißverfahren is called in the DE 33 25 355 A1 described. Another process of this kind, known as "pressure sintering" can be found in US-A-4,810,672. It can at used for example to build electronic components te, especially large-area power semiconductors, with metal connecting substrates. In addition, Ver drive all according to the preamble of claim 1 commonly used to make two disc-shaped bodies Materials with different coefficients of thermal expansion clients, e.g. B. from two different metallic works fabrics to connect with each other. Such procedures result to very permanent connections, but generally point the disadvantage that the required connection disc-shaped bodies connected to one another at temperature when cooling due to the different thermal expansion coefficients get into a voltage state, which leads to Ver arches leads. This disadvantage is all the more apparent the more the thermal expansion coefficients differ from each other differ and the greater the difference between ver binding temperature and the operating temperature of the merged added body is. The warping is particularly disturbing then when one of the disc-shaped bodies from a half there is a conductor disc that is integrated with the surface  MOS structures is provided and with appropriate Metallisie structures should be provided. So z. B. a Her positioning of the structures by using photolithography steps and etching techniques with accuracy in the area of µm is no longer possible.

Aus der DE 33 27 476 C2, insbesondere Ansprüche 1, 4, Spalte 5, Zeilen 3 bis 24 und Fig. 5, ist ein Verfahren zum Verbinden zweier scheibenförmiger Körper unterschiedlicher Metallwerkstoffe zu einem Kochgeschirr beschrieben, wobei ebenfalls durch beheizte Preßstempel, als Pfannenhalter 30, 32 benannt, von denen einer konkav, der andere konvex ausgebil­ det ist, beide Werkstoffscheiben durch Preßschweißen mitein­ ander fest verbunden werden.From DE 33 27 476 C2, in particular claims 1, 4, column 5, lines 3 to 24 and Fig. 5 is a method for Connecting two disc-shaped bodies different Metal materials described in a cookware, wherein also by heated press rams, as pan holders 30, 32 named, one of which is concave, the other convex det, both material discs by pressure welding together be firmly connected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem dieser Nachteil nicht auftritt. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbil­ dung nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 er­ reicht.The invention has for its object a method of Specify the type mentioned, in which this disadvantage does not occur. According to the invention, this is achieved through training dung according to the characterizing part of claim 1 enough.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß die bei der Verbindungstemperatur eingestellte, durch die Form der Pressenstempel und der Druckstücke vorge­ gebene Krümmung der miteinander zu verbindenden scheibenför­ migen Körper so gewählt werden kann, daß gerade bei einer be­ stimmten, unter der Verbindungstemperatur liegenden Betriebs­ temperatur der spannungsfreie und damit ebene Zustand des aus beiden scheibenförmigen Körpern zusammengesetzten Körpers erreicht wird.The advantage that can be achieved with the invention is in particular in that the set at the connection temperature featured by the shape of the press ram and the pressure pieces given curvature of the disc to be connected body can be chosen so that just one be agreed, operating below the connection temperature temperature the tension-free and thus flat state of the two disc-shaped bodies composite body is achieved.

Die Ansprüche 2 bis 4 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung dar. Der An­ spruch 5 ist auf eine bevorzugte Anwendung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens gerichtet.Claims 2 to 4 represent advantageous refinements and Developments of the method according to the invention. The An saying 5 is on a preferred application of the fiction directed procedure.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeigneten Anordnung näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is described below with reference to a drawing shown, for carrying out the Ver  driving suitable arrangement explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Anordnung zum Verbinden zweier scheibenförmiger Körper mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten und Fig. 1 shows an arrangement for connecting two disc-shaped body with different thermal expansion coefficients and

Fig. 2 eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 1 zum gleichzeitigen Verbinden einer Mehrzahl von scheiben­ förmigen Körpern. Fig. 2 is a development of the arrangement of FIG. 1 for the simultaneous connection of a plurality of disc-shaped bodies.

In Fig. 1 sind zwei scheibenförmige Körper 1 und 2 mittels eines Diffusionsschweißverfahrens miteinander zu verbinden, wobei 1 eine Scheibe aus dotiertem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, und 2 ein metallisches Substrat, z. B. aus Molybdän oder Wolfram darstellen. Zweckmäßigerweise wird eine Folie 3 oder ein dünnes Blech aus einem plastisch deformierbaren Material, z. B. Al, Ag oder Au, mit einer Foliendicke von z. B. 10 bis 30 µm zwischen die miteinander zu verbindenden Flächen eingelegt. Ist die Folie 3 aus Edelmetall gefertigt, so muß diejenige der beiden miteinander zu verbindenden Flächen, die aus Halbleitermaterial besteht, mit einem als Diffusionssperre wirkenden Überzug, z. B. aus Titan, versehen sein, wobei dieser Überzug mit einer weiteren Schicht abge­ deckt wird, die z. B. aus Au besteht. Nach dem Zusammenle­ gen der Teile 1 bis 3, wobei die Unterseite des Halbleiter­ körpers 1 vorzugsweise noch mit einer Metallscheibe 4 aus Al, abgedeckt wird, um sie vor etwaigen Beschädigungen zu schützen oder um eine Metallisierung der Unterseite der Halbleiter­ scheibe 2 zu erzielen, werden die in dieser Weise gestapelten Teile 1 bis 4 zwischen zwei Pressenstempel 5 und 6 in eine im einzelnen nicht dargestellte, vorzugsweise hydraulische Presse eingebracht. Die Pressenstempel werden beheizt, so daß die Anordnung 1 bis 4 auf eine Verbindungstemperatur gebracht wird, die etwa im Bereich von 230-570°C liegt. Die Pressen­ stempel 5 und 6 werden durch Betätigung der Presse so gegen­ einander bewegt, daß die Teile 1 und 2 mit einem Anpreßdruck von etwa 5000-25000 N/cm² während einiger Minuten zusammen­ gepreßt werden. Hierdurch wird eine Verbindung der Halblei­ terscheibe 1 und des Substrats 2 erreicht, die einen sehr geringen elektrischen und thermischen Übergangswiderstand, einen sehr hohen Homogenitätsgrad und eine große Haftfestig­ keit aufweist.In Fig. 1, two disk-shaped bodies 1 and 2 are to be connected to one another by means of a diffusion welding process, with 1 being a disk made of doped semiconductor material, e.g. B. silicon, and 2 a metallic substrate, e.g. B. from molybdenum or tungsten. Advantageously, a film 3 or a thin sheet made of a plastically deformable material, for. B. Al, Ag or Au, with a film thickness of z. B. 10 to 30 microns between the surfaces to be joined. If the film 3 is made of precious metal, then that of the two surfaces to be joined, which consists of semiconductor material, must be coated with a coating acting as a diffusion barrier, e.g. B. made of titanium, this coating being covered with a further layer which z. B. consists of Au. After assembling parts 1 to 3 , wherein the underside of the semiconductor body 1 is preferably still covered with a metal disk 4 made of Al, in order to protect it from any damage or to achieve a metallization of the underside of the semiconductor wafer 2 the parts 1 to 4 stacked in this way are introduced between two press rams 5 and 6 into a preferably hydraulic press, not shown in detail. The press rams are heated so that the arrangement 1 to 4 is brought to a connection temperature which is approximately in the range of 230-570 ° C. The press stamps 5 and 6 are moved against each other by actuating the press so that parts 1 and 2 are pressed together with a contact pressure of about 5000-25000 N / cm² for a few minutes. As a result, a connection of the semiconductor plate 1 and the substrate 2 is achieved, which has a very low electrical and thermal contact resistance, a very high degree of homogeneity and a large adhesive strength.

Da das metallische Substrat 2 einen größeren thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten hat als die Halbleiterscheibe 1, sind beide Pressenstempel 5 und 6 an ihren den Anpreßdruck auf die Teile 1 und 2 übertragenden Flächen kugelkalottenförmig aus­ gebildet, wobei die untere Fläche 7 des Stempels 5 konkav ist, weil sie sich auf der Seite des Substrats 2 mit dem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten befindet, während die obere Fläche 8 des Stempels 6 konvex ist, weil sie sich auf der Seite der Halbleiterscheibe 1 mit dem kleineren thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten befindet. Die Krümmungsradien der Flächen 7 und 8 sind gleich groß, so daß die Teile 1 und 2 während des Diffusionsschweißens, d. h. bei der Verbindungs­ temperatur, eine entsprechende Krümmung aufweisen. Nach dem Schweißvorgang, d. h. nach dem Entfernen der miteinander ver­ bundenen Teile 1 und 2 aus der Presse, führen die unterschied­ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 und 2 dazu, daß sich die Krümmung des aus 1 und 2 bestehenden, scheiben­ förmigen Körpers durch die Abkühlung verringert. Gibt man nun eine bestimmte Betriebstemperatur vor, bei der der aus 1 und 2 bestehende, scheibenförmige Körper spannungsfrei bzw. eben sein soll, so wird in einfacher Weise der Krümmungsradius der Flächen 7 und 8 so gewählt, daß durch die Abkühlung von der Verbindungstemperatur auf die Betriebstemperatur die zunächst durch die Flächen 7 und 8 bestimmte Krümmung der miteinander verbundenen Teile 1 und 2 praktisch vollständig aufgehoben wird.Since the metallic substrate 2 has a greater thermal expansion coefficient than the semiconductor wafer 1 , both press rams 5 and 6 are formed on their surfaces, which transmit the contact pressure to the parts 1 and 2 , in the form of a spherical cap, the lower surface 7 of the ram 5 being concave because it is on the side of the substrate 2 with the larger coefficient of thermal expansion, while the upper surface 8 of the stamp 6 is convex because it is on the side of the semiconductor wafer 1 with the smaller coefficient of thermal expansion. The radii of curvature of the surfaces 7 and 8 are the same size, so that the parts 1 and 2 during the diffusion welding, ie at the connection temperature, have a corresponding curvature. After the welding process, ie after removing the connected parts 1 and 2 from the press, the different coefficients of thermal expansion of 1 and 2 lead to the fact that the curvature of the disc-shaped body consisting of 1 and 2 is reduced by the cooling . If you now specify a certain operating temperature at which the disc-shaped body consisting of 1 and 2 should be stress-free or flat, the radius of curvature of the surfaces 7 and 8 is selected in a simple manner so that the cooling from the connection temperature to the Operating temperature, the curvature of the interconnected parts 1 and 2, which is initially determined by the surfaces 7 and 8 , is virtually completely eliminated.

Soll z. B. ein Drucksinterverfahren benutzt werden, um die Teile 1 und 2 miteinander zu verbinden, so wird die Metall­ folie 3 durch eine Zwischenschicht, insbesondere in Form einer Paste, ersetzt, die mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 20 µm beispielsweise auf der Unterseite des Substrats 2 aufge­ tragen werden kann. Die Paste besteht mit Vorteil aus einem Silberpulver aus plättchenförmigen Pulverpartikeln, die in einem Lösungsmittel suspendiert werden. Nach dem Trocknen der aufgetragenen Paste werden dann die Teile 1, 2 und 4 in der dargestellten Weise zusammengesetzt, zwischen die Pressen­ stempel 5 und 6 eingebracht und auf eine Sintertemperatur von etwa 230°C erhitzt. Der für die Sinterung erforderliche Druck von mindestens 900 N/cm² wird durch die Pressenstempel 5, 6 aufgebracht. Should z. B. a pressure sintering process to connect the parts 1 and 2 together, the metal foil 3 is replaced by an intermediate layer, in particular in the form of a paste, with a layer thickness of about 10 to 20 microns, for example on the underside of Substrate 2 can be carried up. The paste advantageously consists of a silver powder made of platelet-shaped powder particles which are suspended in a solvent. After the applied paste has dried, the parts 1 , 2 and 4 are then assembled in the manner shown, stamps 5 and 6 are inserted between the presses and heated to a sintering temperature of approximately 230.degree. The pressure of at least 900 N / cm² required for the sintering is applied by the press rams 5 , 6 .

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, die sich aus Fig. 1 dadurch ergibt, daß zwischen den Pressestempeln 5 und 6 noch weitere kugelkalottenförmige Druckstücke 9 und 10 vorgesehen sind, deren Oberseiten jeweils konvex und deren Unterseiten jeweils konkav ausgebildet sind, wobei jede dieser Flächen den glei­ chen Krümmungsradius aufweist wie die Flächen 7 und 8. Bringt man zwischen den Stempel 5 und das Druckstück 9 die bereits beschriebenen Teile 1 bis 4 ein, zwischen die Druckstücke 9 und 10 entsprechende Teile 1′ bis 4′ und zwischen das Druck­ stück 10 und den Stempel 6 weitere entsprechende Teile 1′′ bis 4′′, so gelingt es, alle diese Teile in einem einzigen Ar­ beitsgang jeweils miteinander zu verbinden. Fig. 2 shows an arrangement which results from Fig. 1 in that between the press punches 5 and 6 still further spherical-shaped pressure pieces 9 and 10 are provided, the tops of which are each convex and the undersides of which are concave, each of these surfaces has the same radius of curvature as surfaces 7 and 8 . If one brings between the stamp 5 and the pressure piece 9 the parts 1 to 4 already described, between the pressure pieces 9 and 10 corresponding parts 1 'to 4 ' and between the pressure piece 10 and the stamp 6 further corresponding parts 1 '' to 4 '', So it succeeds to connect each other in a single Ar beitsgang.

In Abweichung von den oben beschriebenen Verbindungsverfahren sind ganz allgemein auch andere Verbindungsverfahren im Rahmen der Erfindung anwendbar, bei denen zwei scheibenförmige Körper bei einer vorgegebenen Verbindungstemperatur und einem vor­ gegebenen Anpreßdruck zusammengefügt werden. Dabei können die miteinander zu verbindenden, scheibenförmigen Körper aus be­ liebigen Materialien bestehen, deren thermische Ausdehnungs­ koeffizienten voneinander abweichen. Beispielsweise können die Teile 1 und 2 auch zwei Metailscheiben aus unterschiedlichem Material darstellen.In deviation from the connection methods described above, other connection methods can also be used in general within the scope of the invention, in which two disk-shaped bodies are joined together at a predetermined connection temperature and a given contact pressure. The disc-shaped bodies to be connected to one another can be made of any material whose thermal expansion coefficients differ from one another. For example, parts 1 and 2 can also represent two metal disks made of different materials.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verbinden von zwei scheibenförmigen Körpern (1, 2) aus Materialien unterschiedlicher thermischer Aus­ dehnungskoeffizienten, die bei einer vorgegebenen Verbin­ dungstemperatur mit einem vorgegebenen Anpreßdruck zusammen­ gefügt werden, bei dem die scheibenförmigen Körper (1, 2) zwischen zwei kugelkalottenförmige Pressenstempel (5, 6) eingebracht werden, wobei der eine Pressenstempel (5) konkav geformt ist und sich auf der Seite des scheibenförmigen Körpers (2) mit dem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten befindet und der andere Pressenstempel (6) konvex geformt ist und sich auf der Seite des scheibenförmigen Körpers (1) mit dem kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei kugelkalottenförmigen Pressenstempel (5, 6) nach Erwärmung der scheibenförmigen Körper (1, 2) auf die Verbindungstemperatur mit dem Anpreß­ druck zusammengepreßt werden, wobei die Krümmungsradien beider Pressenstempel (5, 6) gleich groß und so bemessen sind, daß sich bei einer Abkühlung der miteinander verbundenen Körper (1, 2) auf eine vorgegebene, unterhalb der Verbindungstem­ peratur liegende Temperatur eine im wesentlichen ebene und spannungsfreie Verbindung derselben ergibt. 1. A method for connecting two disc-shaped bodies ( 1 , 2 ) made of materials with different thermal expansion coefficients, which are joined together at a predetermined connection temperature with a predetermined contact pressure, in which the disc-shaped body ( 1 , 2 ) between two spherical dome-shaped press rams ( 5 , 6 ) are introduced, one of the press rams ( 5 ) being concave and located on the side of the disc-shaped body ( 2 ) with the greater coefficient of thermal expansion and the other press ram ( 6 ) being convex and on the side of the disc-shaped body ( 1 ) with the smaller coefficient of thermal expansion, characterized in that the two spherical cap-shaped press rams ( 5 , 6 ) are compressed after the heating of the disc-shaped bodies ( 1 , 2 ) to the connection temperature with the contact pressure, the radii of curvature of both P ressenstempel ( 5 , 6 ) are of the same size and dimensioned so that when the interconnected body ( 1 , 2 ) cools down to a predetermined temperature below the connection temperature, an essentially flat and stress-free connection of the same results. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf wenigstens einer der miteinander zu verbindenden Flächen der scheibenförmigen Körper eine Verbin­ dungsschicht, insbesondere in Form einer aus einem Metall­ pulver und einem Lösungsmittel bestehenden Paste, aufgebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized records that towards at least one of the others connecting surfaces of the disc-shaped body a connection layer, in particular in the form of a metal powder and a solvent existing paste, applied becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen die miteinander zu verbin­ denden Flächen der scheibenförmigen Körper (1, 2) eine Metallfolie (3) eingelegt wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that a metal foil ( 3 ) is inserted between the surfaces of the disk-shaped body ( 1 , 2 ) to be connected. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Pressen­ stempeln (5, 6) wenigstens ein kugelkalottenförmiges Druckstück (9, 10) vorgesehen ist, das auf einer Seite konkav und auf der anderen Seite konvex geformt ist und daß zwischen ein solches Druckstück (9) und einen Pressenstempel (5) und gegebenenfalls zwischen zwei benachbarte Druckstücke (9, 10) jeweils zwei miteinander zu verbindende scheibenförmige Körper eingebracht werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that between the two presses ( 5 , 6 ) at least one spherical cap-shaped pressure piece ( 9 , 10 ) is provided, which is concave on one side and convex on the other side and that between such a pressure piece ( 9 ) and a press ram ( 5 ) and optionally between two adjacent pressure pieces ( 9 , 10 ), two disc-shaped bodies to be connected to each other are introduced. 5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verbinden eines scheibenförmigen Halbleiterkörpers mit einem scheibenförmigen metallischen Substrat.5. Use of the method according to one of claims 1 to 4 for connecting a disk-shaped semiconductor body with a disc-shaped metallic substrate.
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