DE1589543A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Weichlotkontaktierung - Google Patents

Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Weichlotkontaktierung

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DE1589543A1 DE1967B0094403 DEB0094403A DE1589543A1 DE 1589543 A1 DE1589543 A1 DE 1589543A1 DE 1967B0094403 DE1967B0094403 DE 1967B0094403 DE B0094403 A DEB0094403 A DE B0094403A DE 1589543 A1 DE1589543 A1 DE 1589543A1
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Description

15895*3
R:. 8977
7.9.1967
Anlage zur
Patent- «„^ΐΛ,,ν,,.
G ebrauohamuotorhilfs Anmeldung
R OB ER T B O S GZ GMBH, Stuttgart W, Breitscheidatraße 4
Halbleiterbauelement und. Verfahren, au seiner. •Weichlotkontaktierung : .
Me Erfindung bezieht'sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem, als Anschlußkontakt dienenden Metallsockel und. mit einem auf diesem, durch Lötung befestigten plättchenformi.gen, insbesondere aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper, der an seiner dem Sockel abgekehrten Oberseite eine Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, die über einen mit Weichlot befestigten Anschlußdraht mit einem Kontaktstift verbunden ist, der isoliert durch den Docke! hindurchgeführt ist urtd mindestens an der den Halbleiter tragenden Oberseite des Sockels über diesen vorsteht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Weichlotkontaktierung, das bei einem derartigen'Halbleiterbauelement mit Vorteil, angewendet werden kann. Im einzelnen bezieilt sich die Erfindung vor allem auf solche Halblei terbauölemente, bei welchen der auf einem Metallsoekel mit seiner
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Robert Bosch GmbH .. . ' R.; 8977 Lr/3z
Stuttgart . " y '■■·■:
Rückseite.festgelötete Halbleiterkörper ein Transistorsystem oder eine integrierte Schaltung enthält und. daher ah seiner freien Oberseite zwei oder mehr· Zonen enthält, die gegeneinander isoliert über einzelne Anschlußdrähte mit je einem der in der Sockelplatte isoliert befestigten Anschlußleiter verbunden werden sollen. . '■
Bei bekannten Leistungstransistoren, deren Kollektor mit einem auf Bleibasis hergestellten Weichlot an der Sockelplatte festgelötet ist, sind für die Basis- und Emitterzuleitung schwach.federn.de Drähte aus einer bronzeähnlichen Legierung vorgesehen. Diese sind an den pfostenartigen Anschlußleitern festgeklemmt und drücken unter eigener Verspannung mit ihrem anderen freien Ende' auf den Halbleiterkörper. Dabei entsteht jedoch ein ungleichmäßig verteilter Druck, welcher im Verlaufe des nachfolgenden Lötvorganges zu einer unerwünschten Schräglage des Halbleiterkörpers und zu einer keilförmigen Kollektorlotschicht führen kann. Insgesamt gesehen ist es überhaupt sehr schwierig, durch Verformung der bereits festgeklemmten Anschlußdrähte den von ihnen auf den Halbleiterkörper ausgeübten federnden Kontaktdruck so präzise zu dosieren, daß er auch noch während des Lötprozesses erhalten bleibt, wenn das unter dem Halbleiterkörper liegende Lötplättchen schmilzt und den Halbleiterkörper absinken läßt. Soweit eine Justierung der Anschlußdrähte bei den bekannten Kontaktierungsanordnungen sich überhaupt ohne Zuhilf.enahme von Vergrößerungsgläsern oder Mikroskopen durchführen läßt, gestaltetes ich besonders deshalb schwierig, weil ein bereits eingetretener Aufklemmprozeß sich nicht ohne bleibende Deformation der Anschlußdrähte urid der Anschlußleiter rückgängig machen läßt. Dies macht sich besonders dann störend bemerkbar, wenn die mit den Anschlußdrähten zu verbindenden Zonen.nur sehr kleine Abmessungen haben und daher beim Auf-' klemmen der Anschlußdrähte genau getroffen werden müssen, was jedoch, meist nicht ohne nachträgliche Korrektur möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beiHalbleiterbauelementen der eingangs beschriebenen Art, insbesondere bei !Transistoren, oder ·
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integrierten Schaltungen, eine wesentlich einfachere Kontaktierung ■ zu erzielen,.die auch mit ungeübten Arbeitskräften serienmäßig.durchgeführt werden* kann- Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen,' daß der aus einem Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Verlötbarkeit .bestehende Ansehlußdraht an "einem seiner Endabschnitte zu · einer Wendel aufgewickelt und mit dieser Wendel über seinen zugehörigen Kontaktstift geschoben ist. !Zweckmäßig kann der Mittelabschnitt des Anschlußdrahtes - quer zur Wendelachse von der Wendel abstehen und in den anderen, mit den Halbleiterkörper zu verlöteten Endabschnitt übergehen, wobei dieser.andere Endabschnitt wenigstens annähernd in die gleiche Richtung, zeigt wie die Achse der Wendel..Als besonders zweckmäßig für den nachfolgenden Lötvorgang hat es sich erwiesen, wenn der Innendurchmesser der Wendel geringfügig größer als der von der Wendel umfaßte Durchmesser des Kontaktstifts ist. In diesem Fall gleitet der auf seinen Kontaktstift aufgesetzte Ansehlußdraht mit1 seiner Wendel am Kontaktstift leicht nach unten und drückt dann praktisch hur mit seinem eigenen, durch seine Größe genau definierten Gewicht auf den Halbleiterkörper. Bei einer Transistoranordnung oder einem integrierten Schaltkreis können sich die einzelnen Anschlußdrähte völlig unabhängig voneinander und mit einem durch, ihr Eigengewicht festgelegten Druck auf die einzelnen Anschlußzonen auflegen.. Sie stellen sich dabei automatisch auf die jeweilige Hohe der ihnen zugehörigen Anschlußzone ein. Im Verlaufe des nachfolgenden, zweckmäßigin einem Durchlaufofen durchzuführenden LÖtprozesses können die Anschlußdrähte dem sich infolge des Schmelzens des Lotes absenkenden Halbleiterkörper folgen und sich außerdem in.die flüssigen Lotanhäu-rfungen an den ihnen zugeordneten Ansohlußzonen leicht eindrücken.
Dieses Nachgleiten der Anschlußdrähte' und eine starke Vereinfachung des LÖtprozesses läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielen, daß das für die Lötverbindung zwischen dem Anschlußdraht und seinem Kontaktstift vorgesehene Lot in Form eines Ringes über der bereits auf den Kontaktstift aufgesetzten Wendel auf den Kontaktstift aufgeschoben wird und während des LÖtprozesses die Wendel und den Kontaktstift umfließt, wobei die von der Wendel
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geschaffene große Oberfläche ein Abtropfen deö Lotes sicher verhindert. ."·■··. . -
Ferner erlaubt es die erf indungsgemäße.Anordnung und Ausbildung der Anschlußdrähte, infolge der Drehbeweglichkeit der Wendel auf den Kontaktstiften, daß die relative Lage der freien, von den Wendeln abgekehrten Endabschnitte der Anschlußdrähte zueinander derart eingestellt werden können, wie es die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorgegebene, geometrische Anordnung der einzelnen Kontaktstellen verlangt. Ina gleichzeitigen' Zusammenspiel· von wenigen Dreh- und Schiebebewegungen des vor dem Verlöten auf· dem Sockel noch frei beweglichen Halbleiterkörpers lassen sich auch ohne komplizierte Justiereinrichtungen die Anschlußdrähte in die erforderliche Lage bringen. Vor allem ist es dabei von Vorteil, daß man zum Fixieren der Lage sowohl des Halbleiterkörpers als auch der Anschlußdrähte verhältnismäßig einfache Montageschablonen verwenden kann, welche bei einer Serienfertigung die vorgeformten und über geeignete Zulauf rinnen zugeführten Anschlußdrähte über die Kontaktstifte ein-" fallen lassen und deren noch freibewegliche Endabschnitte, an der vorgesehenen Kontaktstelle festhalten;
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel."
Es zeigen:
Fig. 1 einen Leistungstransistor, bei welchem die zu seiner Kontaktierung dienenden Einzelteile in auseinandergezogenem Zustand dargestellt sind,
Fig. 2 den fertig verlöteten Transistor ebenso wie in Fig. 1 im Schrägbild, während in den
Fig. 3 zwei nach der Erfindung gestaltete Anschlußdrähte in . und 4 unterschiedlicher Ausführungsform stark vergrößert wiedergegeben sind.
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Kobert Bosell GmbH ' R. 8977 .Lr/Sz
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Der Transistor hat eine als Boden für sein, im übrigen nicht darge- ' stelltes Gehäuse der TO-3.-Größe dienende S.ockelplatte 1 aus Metall* in welcher mit Glaseinschmelzungen 2 zwei Kontaktstifte 3 und 4 befestigt sind. Das ■ Transistorsystem befindet sich in einem aus n-leitendem Silizium-Grundmaterial bestehenden Halbleiterplättchen 5, ■ das bei der Montage mit seiner den Kollektoranschluß enthaltenden Rückseite unter Zwischenlage eines etwa.0,1 mm starken, aus Pb' 99 Sn-1 bestehenden Lötplättchens 6 auf die Sockelplatte 1 aufgelegt und dort in dem nachfolgend beschriebenen Lotvorgang festgelötet wird. Das Halbleiterplättchen trägt an seiner Oberseite eine ungefähr zentral liegende Anschlußstelle 7 £ür den Transistoremitter und eine nähe dem Plättchenrand liegende Anschlußstelle 8 für'die ■-. Basis des Transistors. ' ' ; ' ;
Beide Anschlußstellen sind mit einem kräftigen Auftrag von Pb 99" Sn 1 vorverbleit. - . .
Zur Verbindung dieser beiden Kontaktstellen. 7 und Q mit-, den beiden Kontaktstiften 3 und 4 sind 0,2 mm starkeAnschlußdrähte/aus hoch- , gereinigtem Silber vorgesehen, die in. der nachstehend beschriebenen Weise vorgeformt sind. Wie Fig. 3 in der Vergrößerung deutlich erkennen läßt, sind die Anschlußdrähte 10 an einem ihrer Endabschnitte zu einer Wendel 11 aufgewickelt, wobei der Innendurchmesser dieser Wendel geringfügig größer als der Außendurchmesser der Kontaktstifte 3 bzw. 4 gewählt ist. Diese Wendel läßt sich in einfacher Weise auf Drahtwickelmäschinen so herstellen, daß der in Fig. 3 mit 12 bezeich-· nete Mittelabschnitt des Anschlußdrahtes etwa rechtwinklig von der Wickelachse der Wendel 11 absteht. Der andere Ehdabschnitt 13, welcher zur unmittelbaren Kontaktgäbe mit der Emitteranschlußstelle 7 bzw. der Basißanschlußstelle 8 bestimmt ist, kann im gleichen Arbeitsgang so abgebogen werden, daß er wenigstens annähernd in die gleiche Richtung zeigt, wie die Achse der Wendel und - vom Mittelabschnitt 12 aus gesehen - sleft in die glöiche ßichtulig wie diese-erstreckt.
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Wenn die Anschlußdrähte 10 mit ihren Wendeln 11 auf die Kontaktstifte 3 "bzw. 4 aufgesetzt sind, fällen sie durch ihr eigenes. Gewicht so weit nach unten, daß sie auf dem Haibleiterplättchen 5 zur Auflage kommen, wobei es ohne weiteres möglich.ist, die gegen das Halbleiterplättchen gerichteten unteren Endabschnitte 13 der Anschlußdrähte mit Hilfe von Schablonen so zu fassen und dabei das Halbleiterplättchen so. festzuhalten, daß sie mit ihren beim Abscheren von einer Vorratsrolle scharfkantig gewordenen Stirnflächen 14 auf den vorverbleiten Anschlußstellen .während des Transports in einen nicht dargestellten Lötofen sitzen bleiben. Vorher wird jedoch noch das zur Lötverbindung zwischen den Wendeln 11 und den Kontaktstiften 3.bzw. 4 erforderliche Lot in Form eines Lotringes 15 auf das freie Ende des bereits den Anschlußdraht tragenden Kontaktstiftes aufgesetzt. Die Lotringe 15 bestehen vorteilhaft aus einer Weichlotlegierung mit einem Schmelzpunkt, der um mindestens 500C, vorzugsweise 70° bis 800C-, niedriger, liegt als der Schmelzpunkt desjenigen Lotes, welches an der Rückseite des Halbleiterplättchens für den Anschluß des Kollektors und an der Oberseite an den mit .7 und 8 bezeichneten Stellen für den Basis- bzw. Emitteranschluß vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist hierfür die Verwendung eines eutekti3chen Weichlotes Sn 96 Ag 4, das einen Zusatz von einigen Zehntel. Gewichtsprozenten, vorzugsweise 0,1 bis 1.%,,. Bi oder Sb enthält. Dieses Weichlot empfiehlt sich besonders be,i aus Silizium bestehenden Halbleiterelementen und ist dann sehr zweckmäßig, wenn sich im Durchlaufofen die Kontaktstifie langsamer erwärmen als die Sockelplatte. ■ .... _ ,, ·,.-...;, ,t,...
Da der Innendurchmesser der Lotringe 15 ebenfalls größer als .der , „ Außendurchmesser der Kontaktstifte 3 bzw. 4 ist,, kann, ein einwandfreies Auffädeln der Lotringe auf die spitz/zulauf enden Kon takt-stifte und anschließend eine sichere Anlage des Lot rings, an seiner Wendel" erzielt werden. Das Gewicht, des Lotrings, übt dann eine er-, wünschte, wenn auch nur kleine zusätzliche Kraft auf den Anschlußd.raht aus, wodurch ein etwaiges unerwünschtes.-Abgleit on der scharf.-kantigen Stirnfläche 14 von der Kontaktstelle auf dem Halbleiterpläbtchen zusätzlich erschwort wird.
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Robert Bosch GmbH
Stuttgart
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Wie Versuche gezeigt haben,, kann man trotz der beim'Durchfahren eines LÖtofens unvermeidlich auftretenden Erschütterungen sogar ohne die
oben erwähnten. Haiteschablonen auskommen, ten der Stirnfläche 14- der dem Halbleiter
der Anschlußdrähte sich in die Weichlotsctiicht ah der betreffenden Kontaktstelle bereits bei sehr geringen Brück oberflächlich eingraben. Dieser dem. Verrutschen entgegenwirkende Stabilisierungseffekt wird noch unterstützt durch den relativ hohen Reibungskoeffizienten des Weichlotplättchens 6, das für den -3
ist. ' ·'■■■"■-■
weil die gratartigen Kanzugekehrten .Endabschnitte
Beim anschließenden Durchlauf durch einen
gefüllten· Tunnelofen schmelzen die Lotriinge I5 auf, so daß das geschmolzene Lot den Kontaktstift und die Wendel Il benetzen kann. Sobald auch die einen höheren Schmelzpunkt aufweisenden Lote an
den Stellen 6, 7, 8. schmelzflüssig Werder plättchen geringfügig absinkt, können die Wendeln 11 auf den Kontaktstiften soweit srohere Kontaktgabe zwischen ihren Endabs schlußzonen 7 bzw. 8 erzielt wird..
lektoränschlüß vorgesehen
mit inerter Gasatmosphäre
und dabei das Halbleiter-Anschlußdrahte mit ihren
nachrutschen, daß eine chnitten 15 und den An-
Abweichend von derHPig. 3 dargestellten 4usführungsform für die 'Anschlußdrähte 10 können diese auch in die in Fig. 4- wiedergege
bene Gestilt gebracht werden., welche sich
im wesentlichen dadurch unterscheidet, dg.ß der zur Kontaktgabe mit dem Halbleiterplättchen unmittelbar vorgesehene Endabschnitt 13* -
vonrMittelabschnitt 12' aus gesehen - in
gegengesetzte Richtung erstreckt. Von.besonderem Vorteil ist hier
bei, daß das freitragende Drahtstück nur
von derjenigen nach Mg. 3
eine zur Wendel 11( enteine gegenüber Fig. 3 ge
ringere Länge zu haben braucht und.dann kleineren Widerstand und höhere Schüttelfestigkeit hat. Xn jedem !falle wird jedoch durchdie e-rfindungsgemäße Ausbildung des anderen Endabschnittes des Anschlußdrahtes als Wendel erreicht, daß die Montage eines Halbleiterbauelements weitgehend automatisiert und - sovait überhaupt manuelle Arbeitsgänge erforderlich sind - mit ungeübten Hilfskräften durchgeführt
worden kann. ' ■ „
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Claims (10)

Ansprüche
1. Halbleiterbauelement mit einem als Anschlußdraht dienenden Me.tallsockel und mit einem auf diesem durch Lotung befestigten platt-" chenförmigen, insbesondere αμβ Silizium bestehenden Halbleiterkorper , cfer. an seiner dem Sockel abgekehrten Oberseite eine Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, die über einen mit • Weichlot befestigten Anschlußdraht mit einem Kontaktstift ver-
bunden is_t, der und mindestens .· Sockels über di Anschlußdraht ( del'(11) aufgew geschoben ist. u:
isoliert durch den Sockel hindurchgeführt ist in .der den Halbleiter tragenden Oberseite des isen vorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der 0) an einem seiner Endabschnitte zu einer Wenckelt und mit dieser über den Kontaktstift (3, 4) id daß der Mittelabschnitt (12) des Anschlußdrahteε
quer zur Wendel mit dem Hälbleiwobei dieser ani gleiche Richtun
2. Halbleiterbaue.l daß der Innendu der von der Wen ist.
ichse von der Wendel absteht und in den anderen, ;erkörper verlöteten Endabschnitt (13) übergeht, ere Endabschnitt, wenigstens annähernd in.die zeigt wie die Achse der Wendel.
ment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, chmesser der Wendel (11) geringfügig größer als el umfaßte Durchmesser des Kontaktstiftes 0, ^
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, mit dem Halbleiterkörper verlötete Endabschnitt.
(13) langer ist als die Wendel (11). D
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4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, mit dem Halbleiterkörper verlötete Endabschnitt (13 ·) nach einer zur Wendel (H') entgegengesetzten Richtung ab-
: gebogen ist.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1-bis 4-,. dadurch'.' gekennzeichnet, daß die Wendel (11) mit dem Kontaktstift (3, 4-) durch ein Lot verbunden ist, dessen Schmelzpunkt um mindestens um 600C tiefer liegt als der Schmelzpunkt desjenigen-Lotes, mit welchem der andere Endabschnitt (13) des Anschlußdrahtes (10) am Halbleiterkörper, (5) befestigt ist. ' .,.,.. .' ' "
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, - "^ daß die Wendel (11) mit einem Lot aus einer eutektischen oder nahezu eutektischen Weichlotlegierung, insbesondere einer Legierung aus 96. % Sn, und ■ 4·. % Ag mit- dem Eontaktstift (3, 4-) verbunden ist» , . - , ; ■■ ■ '...-..."-■■ ■·■■.'-.■
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß-.-das. Lot: einen Zusatz von 0,1 bis 0,8 Gew. % Bi oder Sb enthält.. ■■ ■ ,- ■ . -.- = . ■ ■ - .. · ■ . .-. l - -: - ,
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7? insbesondere als Transi-
* storanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlöten des
• Halbleiterköfpe'rs ~ (5)' auf dem: Sockel:· {i) und/oder -der Anschlußdrä&te '(10) ah dievZone (7, 8) bzw. Zonen ein Weichlot auf Blei-
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oder Zannbasis, insbesondere ein Lot der Zusammensetzung Pb 99 Sn 1 verwendet ist. - . ■.':
9· Verfahren zum Verlöten eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Lötverbindung zwischen der Wendel, (11) des, Anschlußdrahtes (10) und dem Kontaktstift (3,-4·) erforderliche Lötmittel in, Form eines vorzugsweise lose sitzenden Ringes (1.5) über den bereits die aufgesetzte Wendel (11) tragenden Kontaktstift (3,4-) geschoben und dann in einem.vorzugsweise inerte Atmosphäre' enthaltenden oder evakuierten Lötofen, insbesondere einejiff Durchlauf of en erschmolzen wird. . " - ' ■ ·
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Halbleiterkörper zu verbindende Endabschnitt Cl3) des An-Qchlußdrahtes (10) vor dem Aufschieben des .Anschlußdrahtes auf den Kontaktstift (3, 4) mit einer Löt.schicht überzogen* wird.
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