DE1514561A1 - Verfahren zum serienmaessigen Herstellen von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zum serienmaessigen Herstellen von Halbleiterbauelementen

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Description

Siemens & Halske . München, den -6.SER 196
Aktiengesellschaft Wittelsbacherplats
65/2815
Verfahren zum serienmäßigen Herstellen von Halbleiterbauelementen
Bei der Herstellung von nach der Iegierungstechnik gefertigten Halbleiterbauelementen, insbesondere von Kleinst-Halbleiterbauelercenten, die von ihren Stromzuführungen getragen werden, bereitet die Kontaktierung der mit verschiedener Dotierung versehenen Elektroden mit den als äußeren Elektroden dienenden elektrischen Zuführungsdrähten erhebliche Schwierigkeiten.
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PA 9/493/772 31.S.1965 - 2 -
PA Q/4Q3/77? - ? -
Die Kontaktierung des Bauelementsystems mit dem als Gehäusebestandteil dienenden Sockel soll möglichst ohne Veränderung der Geometrie des Halbleitersystems erfolgen. Zusätzlich sollen bei der Montage Verunreinigungen auf der Oberfläche des Halbleitersystems möglichst weitgehend vermieden werden. Um aber eine gegen äußere mechanische Einflüsse stabile Verbindung zwischen dem Halbleitersysten und den als äußere Elektroden wirkenden Zuführungsdrähten"" su erhalten, müssen entsprechend hohe Temperaturen oder aber die Löttemperatur und Zeit erniedrigende und den LötproEeß begünstigende Flußmittel "/erwendet werden. Zusätzlich müssen die zur Lötung beitragenden Materialien wegen der empfindlichen Halbleiteroberfläche von extrem hoher Reinheit sein.
Es ist bekannt, die Kontaktierung mittels Widerstandslötung durchzuführen, wobei über die Zuführungsdrähte und das Halbleitersystem ein elektrischer Strom fließt, dessen Stromdichte bei geringer Zeitdauer möglichst hoch ist. Dieses auch als Impulslöten bezeichnete Verfahren ' erfordert zur Erzielung stabiler Lötverbindungen die Verwendung von Flußmitteln, die beispielsweise aus alkoholischen Kolophoniumlösungen oder wässrigen Lösungen von ZnCIg und HK.C1 bestehen und deren Zersetzungsprodukte nach dem Lot-'" proze.3 nur zum Teil und sehr schwierig von den Halbleiteroberflächen entfernbar sind.· Ss ist deshalb im Anschluß an den Lötprozeß eine chemische Nachbehandlung erforderlich,
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die nicht nur schwierig und oft nur umständlich durchführbar ist, sondern*zudem auch noch die elektrischen Bigenschaften der herzustellenden Bauelemente erheblich beeinflussen kann.
Eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit bietet das sogenannte Wasserstoff-löten, bei dem die zu verlötenden Sj'stene entweder mit heißem Wassei^stoffgas direkt behandelt oder im vorjustierten Zustand mit Hilfe entsprechender Halterungsvorrichtungen in einen Ofen mit Wasserst off atmosphäre gebracht v/erden. Bei diesem Verfahren, sind Temperaturen von etwa 400° C und zum Teil sehr lange Lötzeiten erforderlich. Außerdem lassen sich bei der Ofenkontaktierung e-indiffundierende Verunreinigungen aus der Schutzgasatmosphäre, kaum vermeiden, so daß sich zusätzlich noch Oxydationseffekte störend bemerkbar machen. Auch bei der Kontaktierung im heißen Y/ass erst off gas läßt sich die Verwendung geeigneter Flußmittel nicht umgehen. Zusätzlich müssen noch vorher die Zuführungsdrähte, hauptsächlich an denKontaktstellen, mit einer den Lötprozeß begünstigenden, niedrigschmelzenden Legierung, z.B. einer Sn/Gr„-Legierung, überzogen werden, wobei eine definierte Schichtstärke, hauptsächlich bei dünnen Drähten, schwer einstellbar ist.
Mit Hilfe des Tauchlötverfahrens in einem auf etwa 200-250° C erhitzten Glycerin- oder Stearinsäure-Bad ist ebenfalls eine
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Kontaktierung der Elektroden mit den Zuführungsdrahten durchführbar. Es müssen jedoch die Zuführungsdrähte ebenfalls vorverzinnt oder mit einer geeigneten Lotschicht verseilen sein. Auch soll das Tauchbad Flußmittelzusätse zur Verbesserung und Verkürzung des Lötvorganges enthalten. Im Anschluß an die Lötung ist eine mehrmalige, intensive Spülung der Systeme in einem für das Tauchbadmaterial geeigneten Lösungsmittel - für Stearinsäure wird Trichloräthylen verwendet - unbedingt erforderlich.
Diese Arbeitsgange sind sehr umständlich und müssen in vielen Fällen wiederholt v/erden. Außerdem werden oftmals Verunreinigungen auf die empfindlichen Kristalloberflächen gebracht, wodurch sich eine chemische Nachbehandlung nicht umgehen läßt.
Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren beseitigt alle diese Mangel und ist dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbau der Bauelementsysteme auf entsprechende Sockel durch Anschweißen einer Elektrode des Systems an einen Zuführungsdraht des Sockels mindestens eine andere Elektrode, insbesondere alle anderen Elektroden, mit den Stroir.suführungsdrähten in Berührung gebracht und unmittelbar im Anschluß daran durch kurzzeitiges i-eduzierendes Einwirken von mindestens einer Wasserstoff-Flamme die Zuführungsdrähte mit den Elektroden des Bauelementsystems verlötet werden.
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Dieses Verfahren hat gegenüber den bisher üblichen Kontaktierungsvcrfahren den Vorteil, daß ohne Verwendung von Flußmitteln und unter Ausnutzung der reduzierenden Eigenschaften von V/asserstoff unter Beibehaltung der gereinigten Halbleiteroberflüchen und der Geometrie der herzustellenden Halbleiterbauelemente eine definierte Lötung durchführbar ist.
Außerdem läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren unmittelbar an die vorhergehende mechanische Hontage anschließen, so daß günstige Maschinentaktzeiten erreicht v/erden können.
Die nach diesem Verfahren gefei-tigten Bauelemente aeigen sehr gute elektrische Kenndaten; die Streugrenzen, vor allen Dingen die der Sperrströiüe, konnten erheblich eingeengt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die umständlichen und aufwendigen Nachbehandrungsprozesse entfallen können und daß keine Vorverzinnung der Drähte notwendig ist; ebenfalls entfällt das Aufbringen von Lötschichten auf den Zuführungsdrähten vor dem Lötprozeß.
In einer auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Ausführungsform erfolgt die Berührung der Zuführungsdrähte mit den Elektroden des Systems zunächst auf mechanischem Wege durch
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Verformung der Zuführungsdrähte.
Gemäß einer Weiterbildung des auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Verfahrens ist vorgesehen, den Lötproseß in der Reduktionszone der Wasserstoff-Flamme durchzuführen.
Es ist besonders vorteilhaft, daß die Temperatur während fe des Lötprosesses ir.öglichst niedrig, beispielsweise auf etwa 200° C, gehalten v/erden kann.
Ein weiterer Vorteil· ist darin zu sehen, daß die Lötzeit infolge der besonders günstigen Löteigenschaften des Wasserstoffs möglichst kurs, beispielsweise auf 0,5 Sekunden, eingestellt werden kann.
Bei einer auf den Erfindungsgedanken beruhenden Ausführungsforr.i bestellen die als äußere elektrische Anschlüsse dienenden Zuführungsdrähte vorzugsweise aus Kupferrcantcldrähten.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aber auch dann anwenden, wenn, aus Gründen einer späteren chemischen Nachbehandlung der noch nicht verschlossenen Bauelemente zur Erzielung einer besonders hohen Stromverstärkung die Zuführungsdrähte mit einer Metallschicht, zum Beispiel einer stromlos aufgebrachten Goldschicht von beispielsweise 0,5 /U
Stärke, versehen sind. ' BAD ORIGINAL
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Eo liegt im Rahmen der Erfindung, Druck und Strömungs-
geschwindigkeit des v/asserstoff-Gases mit Hilfe der Flansienhühe so einzustellen, daß die erzielte Lottemperatur möglichst niedrig, beispielsweise auf et v/a 200° C, gehalten ν,7erden kann.
Besondere vorteilhaft ist es, die Flammenhöhe unter anderem auch wegen der in der Wasserstoff-Flamme vorhandenen Reduktionscone tiuf einen Wert < 5 cm einzustellen,* da eine Flamrr.enhöhe > 5 cm bereits Abbauprodukte di Wasserstoffs, wie Wasserdampf, erzeugt, welche auf den Oberflächen der Bauelemente zu Oxydhäuten und Rostablagerungen führen können.
Bei einer besonders günstigen Anordnung des erfindungsgerdißen Verfahrens wird die Höhe der Wasserstoff-Flamme auf einen Wert von etwa 1 cm eingestellt.
Durch die vorliegende Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, die Herstellung von Bauelementen, insbesondere aber die Herstellung von nach der Legierungstechnik gefertigten Halbleiterbauelementen, rationell und ohne großen Aufwand zu gestalten. Dabei ist die Ausbeute an qualitativ guten Bauelementen erheblich größer als dies nach den bisher üblichen Verfahren möglich war.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich nicht nur zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, sondern ist auch überall da anwendbar, v/o schwierige Kontaktierungsprobleme zu lösen sind, wie beispielsweise bei der Anfertigung von Spanngittern von Elektronen-Röhren.
Das anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebene Ausführungsbeispiel soll das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren näher erläutern.
Figur 1 zeigt ein Transistorsystera, dessen Basisanschluß auf einen (11) der drei als äußere Elektroden dienenden, aus Kupfermanteldraht bestehenden Zuführungsdrähte 11, 12 und eines Sockels 4 angeschweißt ist. Die beiden anderen Zuführungsdrähte 12 und 13 werden mit Hilfe einer Vorrichtung durch Verformung der Drähte 12 und 13 an den Stellen 5 und mit der aus einer In/Ga oder In/Ga/Al-Legierung bestehenden Emitter- und Collektor-Elektrode 2 und 3 des Transistorsystems in Berührung gebracht.
Im Anschluß daran wird, wie in Figur 2 dargestellt, der nechanicch-ir.ontierte Transistor so in die Reduktionszone zweier Wasserstoff-Flammen 7 und 8 gebracht, daß die Kontaktstelle 5 am Emitter 2 und die Kontaktstelle 6 am Oollektor 3 auf eine Temperatur von etwa 200° G kurzzeitig, sum Beispiel 0,3 bis 0,5 Sekunden, erhitzt wird. Dabei kommt das aus In oder einer In-haltigen Legierung bestehende
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Elektrodenmaterial zum Schmelzen und fließt über die Kontaktstellen 5 und 6 an die Zuführungsdrähte- 12 und 13, so daß zwischen der Emitter- bzw. Collektor-Elektrode und dem Zuführungsdraht eine feste Verbindung entsteht.
In Figur 3 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Transistorsystem vergrößert dargestellt. Es gelten die gleichen ■Bezugszeichen wie in Figur 1 und 2.
Die zur Verlötung von Elektrodenmaterial und Zuführungsdraht notwendige Temperatur und Zeit wird so gewählt, daß ohne Veränderung des Ausbreitungsdurchmessers der Elektroden auf der Kristalloberfläche und damit der Geometrie des Systems eine stabile Verbindung zwischen Elektrode und Zuführungsdraht entsteht. Die Löttemperatur ist abhängig von der Flammenhöhe und diese wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druck des Wasserstoffgases. Bei den hier angeführten Ausführungsbeispiel - Löttemperatur von etwa 200° 0 - beträgt die Flammenhöhe 1 bis 2 cm, die Durchflußmenge des Wasserstoffgases bei 0,01 Atü und einem Düsenquerschnitt von 0,5 mm Durchmesser 0,5 Liter pro Minute.
Die Austrittsöffnungen - in Figur 2 mit den Ziffern 9 und bezeichnet - der, beispielsweise aus V2A-Stahl gefertigten Düsen 3ind von den Kontaktstellen 5 bzw. 6 ungefähr 4 mm entfernt. Es muß vor allen Dingen darauf geachtet werden,
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daß v.regen der reduzierenden Wirkung auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements und wegen der Erhaltung der gereinigten Kristalloberfläche ein Vasserstoffgas von möglichst hoher Reinheit (<£ 5 ppm Op5 < 25 ppm Feuchte) verwendet wird. In jeden Falle müssen die Bedingungen des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens dem herzustellenden Bauelement angepaßt v/erden. Dabei fppielt das Elektrodenmaterial und die Obcrfläehenbeschaffenheit, sowie die Stärke der Zuführungsdrähte eine nicht unbedeutende Rolle.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch anwendbar, wenn die Zuführungsdrähte wegen einer nachfolgenden chemischen Behandlung der Bauelemente - beispielsweise zur Erhöhung der Stromverstärkung - mit einer stromlos aufgebrachten Goldschicht versehen sind.
9 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims (9)

Patentansprüche
1.) Verfahren zum, insbesondere serienmäßigen, Herstellen von nach der Legierungstechnik gefertigten Halbleiterbauelementen, bei dem mindestens eine einlegierte Elektrode des Bauelementsystems unter Ausnutzung der reduzierenden Eigenschaften des Wasserstoffs mit der Stromzuführung verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbau der Bauelementsysteme au^f entsprechende Sockel durch Anschweißen einer "lektrode des Systems an einen Zuführungsdraht des Sockels mindestens eine andere Elektrode, insbesondere alle anderen Elektroden, mit den Stromzuführungsdrähten in Berührung gebracht und unmittelbar im Anschluß daran durch kurzzeitiges reduzierendes Einwirken von mindestens einer Wasserstoff-Flamme die Zuführungsdrähte mit den Elektroden des Bauelement systems verlötet v/erden.
".) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührung der Zuführungsdrähte mit den Elektroden des Systems auf mechanischem Wege durch Verformung der Zuführungsdrähte erfolgt.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lötprozeß in der Reduktionszone der Wasserstoff-Flamme vorgenommen wird.
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4.) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während des Lötvorganges möglichst niedrig, beispielsweise auf etwa 200° C, gehalten wird.
5·) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötzeit möglichst kurz, beispielsweise auf 0,5 see eingestellt wird.
6.) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 55 dadurch gekennzeichnet, daß die als ,äußere ..Elektroden dienenden Zuführungsdrähte aus Metalldrähten, vorzugsweise Kupfermanteldrähten, bestehen.
7·) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsdrähte mit einer Metallschicht, beispielsweise einer stromlos aufgebrachten Goldschicht von etwa 0,5 /U Stärke, versehen sind.
8.) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoff-Gases mit Hilfe der Plammenhöhe so eingestellt werden, daß die erzielte Löttemperatur möglichst niedrig, beispielsweise auf etwa 200° C, gehalten werden kann.
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9.) Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenhöhe des Wasserstoff-Gases auf einen Wert von <C 5 cm, insbesondere 1 em, eingestellt wird.
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Leerseite
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2304176A1 (fr) * 1975-03-14 1976-10-08 Bbc Brown Boveri & Cie Procede et dispositif de soudage par immersion de composants a semi-conducteurs
EP0020857A1 (de) * 1979-06-09 1981-01-07 Deutsche ITT Industries GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines planaren Halbleiterbauelements
US7323359B2 (en) 2003-07-31 2008-01-29 Infineon Technologies Ag Mounting method for a semiconductor component

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