DE1961042A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kontaktieren eines Halbleiterkoerpers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kontaktieren eines Halbleiterkoerpers

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Description

R. 9635
24-. 10. 69 Cl/Ri
Anlage zur
Patent—m&-
&-l-fs-annie 1 dung
ROBERT BOSCH Q-IIBTI1 7 Stuttgart 1 , Breitscheidstraße 4
Veri'ahren und Vorrichtung zum Kontaktieren eines Halbleiter-
korpers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Halbleiterkörpers, der auf eine mit isoliert durchgeführten Anschlußstiften versehene Unterlage aufgelötet wird und der an seiner freien Oberfläche Kontaktstellen aufweist, die leitend mit den Anschlußstiften verbunden werden.
Eb ist bekannt. Halbleiterkörper auf eine metallische Unterlage zu löten. Die metallische Unterlage dient dabei gleichzeitig als elektrischer Kontakt und zum Ableiten der Verlustwärme. Die zu montierenden Halbleiterkörper werden beispielsweise nach dem Planarverfahren hergestellt, so daß alle übrigen elektrischen Anschlüsse an der der Unterlage gegenüberliegenden Oberfläche
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liegen und dort mit isoliert durch die metallische Unterlage hindurchgeführten Kontaktstiften leitend verbunden werden. Es ist bekannt, derartige Halbleiteranordnungen in mehreren Arbeitsgängen zu kontaktieren und zu montieren, indem beispielsweise zunächst der gesamte Halbleiterkörper auf die Unterlage aufgelötet wird und dann die an seiner" Oberfläche befindlichen Kontaktflächen einzeln mit PIiIfe von Drähten oder Bügeln mit den isoliert durchgeführten Anschlußstiften verbunden werden. Dieses Kontaktieren ist jedoch zeitraubend, da es in mehreren Arbeitsgängen erfolgt. Außerdem müssen die sehr kleinen Kontaktflächen an der ' ™ Oberfläche des Halbleiterkörpers sehr genau mit dom entsprechenden Anschlußbügel verbunden werden,.was einige Übung erfordert. Gegebenenfalls können derartige Halbleiterkörper nur mit Hilfe von Vergrößerungsgläsern oder Mikroskopen kontaktiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein "feftigungsgerechtes Verfahren zur Kontaktierung eines Halbleiterkörpers, dessen Oberfläche beispielsweise mehrere Kontaktstellen aufweist, zu schaffen, das auch von ungeübten Personen durchgeführt werden kann und das durch seinen vereinfachten Ablauf zeitsparender als die bisherigen Verfahren durchzuführen ist. Darüber · hinaus liegt der Erfindung die Aufgäbe - zugrunde, Kontaktierungs-A mittel zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. .'-·'.
, Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin,- daß in genau festgelegter Lage auf die me-., taiiisehe Unterlage eine Montageschablone gelegt wird, die Ausschnitte aufweist, von deren Führungskanten die Halbleiterkörper und Kontaktierungsteile, in genau festgelegter Stellung, zueinander und zu der Unterlage ausgerichtet werden, daß daraufhin Lötfolie und die Halbleiterkörper durch die Schablonenausschnitte hindurch auf die Unterlage gebracht werden und daß anschließend federnde,,., mit Lötmittel überzogene, die Kontaktierungsteile darstellende ... * Kontaktbügel, deren Lage ebenfalls durch die Montageschablone ,. ausgerichtet wird, in der Art auf die Anschlußstifte gesteckt . werden, daß sich deren eingenommene Lage durch Selbsthemmung der
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Steckverbindung nicht mehr verändern kann. Es ist weiterhin vorteilhaft, mit den Kontaktbügeln Lötringe zum-Verlöten der Kontaktbügel mit den Anschlußstiften aufzustecken.
Es ist somit möglich, sämtliche lötverbindungen in einem Arbeitsgang herzustellen. Indem ein Kontaktbügel durch die Selbsthemmung der Steckverbindung in einer- einmal einjustierten lage ohne ein Verquetschen oder Verklemmen bleibt, kann nach erfolgter Montage die Montagesehablone abgenommen werden, und das fertigmontierte Halbleiterelement kann einen Lötofen passieren. Damit für alle Lötstellen Lot vorhanden ist, sind die Kontaktbügel mit Lötmittel überzogen. Da die Kontaktbügel aufgrund der Selbsthemmung der Steckverbindung auf dem Anschlußstift festsitzen, ist es möglich, bei einer fehlerhaften Justierung das gesamte Halbleiterelement noch einmal zu montieren, denn eine selbsthemmende Steckverbindung läßt sich leicht wieder abziehen, zwei verquetschte Teile sind jedoch nicht mehr zerstöxningsfrei zu lösen oder erneut wieder zu montieren. Bei Verwendung einer Montagesehablone ist es darüber hinaus auch für ungeübte Personen möglich, Halbleiterelemente schnell und sicher zu montieren und zu kontaktieren. Um ein reproduzierbares Vorspannen der Kontaktbügel zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Schablone gleichzeitig einen Anschlag aufweist, wieweit
die Kontaktbügel zum Einhalten eines größten vorgegebenen Vorspannweges über einen Anschlußstift geschoben werden müssen. In einfachster Form kann die Oberfläche der Montagesehablone als Anschlag dienen» so daß der Kontaktbügel soweit auf den Anschlußstift geschoben wird,-bis seine Oberfläche in gleicher Ebene wie die Oberfläche der Montagesehablone liegt.
Zur Durchführung des oben genannten Verfahrens wird erfindungsgemäß ein Kontaktbügel verwendet, der aus einem elastischen Material hergestellt ist und dessen auf einen Anschlußstift aufgestecktes -Teil U-förmig mit zwei übereinanderliegenden Durch-
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Stecköffnungen ausgebildet ist. Das elastische Material weist eine so hohe Rekristallisationstemperatur auf, daß der Kontaktbügel auch während des Lötvorganges noch federelastisch bleibt, so daß alle Kontakte während des Lötvorganges leicht aufeinander-_. gepreßt bleiben.
Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus" den Unteransprüchen in Verbindung mit den nach-" stehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen .
Fig. .1 eine Skizze zur Veranschaulichung der einzelnen Arbeitsschritte,
Fig. 2 einen Kontaktbügel und
Fig. 3 die Ansicht eines fertig montierten Halb- . -.. leiterbaueiementes.
Fach Fig. 1 sind auf einer Montageplatte 1.0 zwei Führungsstifte
11 angebracht, die in zwei in einer Montageschablone 12 vorhang denn Führungsbohrungen 13 passen. Eine zur Aufnahme des 1IaIhleiterkörpers bestimmte metallische Unterlage 14 weist zwei isoliert durchgeführte Anschlußstifte 15 und \6 auf. Die metall!*
P sehe Unterlage 14 wird auf der Montageplatte 10 dadurch fixiert> daß ihre Anschlußstifte 15 und 16 durch zwei Bohrungen 17 gesteckt werden* Die Montage schablone 12 weist ein System: von Alis s par uhgeri 18 bis 20 auf, in denen die eindeutige Lage aller auf der metall!*-" sehen Unterlage 14 zu befestigenden Teile bestimmt ist. Folgende Teile sind auf der metallischen. Unterlage 14 zu montieren: ein Plättchen Lötfolie 21, ein Halbleiterkörper 22, ein erster ."·-■ Kontaktbügel 23» ein zweiter Kontaktbügel 24 und zwei -Lo-tringe 25*
Der Verfahrensablauf ist folgender:
Zunächst wird auf die Montageplatte 10 die metallische Unterlage 14 aufgesteckt--, indem die beiden* Anschlußntif te 15 und 16 durch die Bohrungen 1'T-geschoben werden;" Dann "wird ' die Monta^eöch
12 -mit ihren Führungobohrungen lj auf die Führungsatifte 11 auf
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gesetzt. Dann ist durch das System der Aussparungen 18, 19 und 20 die Xage der aufgeführten Einzelteile 21 bis 25 auf der metallischen Unterlage 14 genau bestimmt. In die Aussparung 18 wird zunächst ein Stückchen Lötfolie 21 und dann der Halbleiterkörper 22 eingesetzt. Der Halbleiterkörper 22, der an seiner Oberfläche die Kontaktflächen 26 und 27 aufweist, erhält über die Kontaktbügel 23 und 24, die an den Anschlußstiften 15 und 16 befestigt werden, Stromzuführungen. Eine weitere Stromzuführung entsteht durch das Verlöten der Unterseite des Halbleiterkörpers 22 mit der metallischen Unterlage .14. Diese großflächige Lötstelle dient gleichzeitig zur Abfuhr der im Halbleiterkörper entstehenden Verlustivärme.
Der erste Kontaktbügel 23, der in Fig. 2 stark vergrößert dargestellt ist- und mehrere Anschlußfahnen 28 aufweist, wird, nachdem der Halbleiterkörper 22 in der Aussparung 18 fest liegt, mit seinen beiden Durchstecköffnungen 29 auf den Anschlußstift 15 gesteckt. Die Führungskante 30 der Aussparung 20 legt dabei seine genaue Lage zu dem Halbleiterkörper 22 fest, so daß jede der Kontaktfahnen eine der Kontaktflächen 26 berührt. Damit der Kontaktbügel" bei weiterer Montage und bei Erschütterung seine Lage nicht mehr verändern kann und auch den Halbleiterkörper 22 auf der metallischen Unterlage 14 festhält, ist er aus einem federnden Material hergestellt und läßt sich auf Grund der beiden übereinander angeordneten Durchstecköffnungen 29 so auf den Anschlußstift 15 verspannen, daß seine Lage durch Selbsthemmung fixiert ist. 1st die Justierung einmal doch versehentlich, verändert worden, so kann der Kontaktbügel durch Ziehen -an der Fahne 35 leicht wieder entfernt und die gesamte Anordnung neu justiert werden, da eine selbsthemmende Steckverbindung jederzeit wieder zu lösen und neu zusammenzustecken ist. Nachdem der Kontaktbügel 23 auf den Stift 15 geschoben ist, wird noch ein Lötring darüber geschoben. In gleicher Weise wird der zweite Kontaktbügel 24 durch die Aussparung 19, justiert durch deren Führungskante 30, auf den Anschluß'stif b 16 geschoben und befestigt. ■
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Auch hier wird ein iiötring 25 auf den Anschlußstift 16 geschoben. Da nun die Kontaktbügel fest auf den Anschlußstiften sitzen und durch ihren Vorspannfederdrucir auch den Halbleiterkörper 22 auf der Unterlage 14 festhalten, kann die Montageschablone 12 abgezogen werden, und das vormontierte und kontaktierte Halbleiterbauelement kann "durch Erwärmen in einem Lötofen verlötet werden. Die Kontaktbügel 23 und 24 sind dabei vollständig mit Lötmittel überzogen, so daß sich auch zwischen den Oberflächen 26 und 27 einerseits und den aufliegenden
Füßchen der Kontaktbügel andererseits feste Einzelteile auch während, des Lötvorganges beibehalten und nicht etwa -durch Erschütterungen oder durch Schmelzen des Lötmittels verändert wird, sind die Kontaktbügel aus einem Material hergestellt, das auch während des Lötprozesses seine federelastischen Eigenschaften beibehält.
Zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Kontaktbügel ist der Kontaktbügel 23 in Fig. 2 vergrößert gezeichnet. Die Kontaktbügel haben folgende Funktionen zu erfüllen: Sie müssen gute elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen, damit auch bei hohen, sie durchfließenden Strömen sowohl der an ihrem ,Widerstand auftretende Spannungsabfall als auch die dadurch verursachte Temperaturerhöhung der Kontaktstelle nicht schädlich werden* können. Ihr Metall darf keine toxische Wirkung auf die physikalische Struktur des Halbleiterkörpers ausüben. Die Rekristallisationstemperatur des Materials, aus dem die Kontaktbügel hergestellt sind, muß mindestens so hoch wie die Löttemperatur sein, damit beim Flüssigwerden des Lötmittels die Kontaktfahnen und ,die zu kontaktierenden Oberflächen infolge der federelastischen Vorspannung der Kontaktfahnen ständig in Berührung bleiben und ihre Lage zueinander nicht verändern können. Die Kontaktfedern sind zweifach abgewinkelt, zunächst von der Montägeebene fort und dann auf die Kontaktfläche zu. Infolge dieser ,Formgebung belasten die durch; die :Wärmedehnung der AnschlußilMwien,-28 auftretenden Kräf/te die Lötstellen nur, wenig. Da- der; Halbleiterkörper·22 fünf Kontaktflächen 26 aufweist, die zu einem einsigen elektrischen Anschluß * Lötverbindungen ausbilden. Damit die einmal eingenommene; Lage
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gehören, weist der Kontaktbügel 23 eine entsprechende Anzahl von Kontaktfahnenauf. Dabei sind die Kantaktfahnen mit Hilfe der Regeln für Balkenbiegung so bemessen, daß ihre auf den Halbleiterkörper ausgeübten Anpreßkräfte rückwirkungsfrei voneinander und annähernd gleich groß sind. Somit kann jedes einzelne Kontaktfüßchen evtl. vorhandene Niveauunterschiede zwischen sich und den Kontaktstellen 26 unabhängig voneinander durch federndes Anschmiegen an 26 ausgleichen und der Halbleiterkörper 22 auch während des Schmelzens der. Weichlotschichten nicht unzulässig stark verkippen. Damit die Kontaktbügel während der Montage leicht zu handhaben sind, weisen sie Fahnen 35 zum Greifen, beispielsweise mit einer Pinzette, auf. Für die Kontaktbügel hat sich folgendes Material als besonders vorteilhaft erwiesen: Die Kontaktbügel sind aus einem Blech Ag 97 Cu3 hergestellt. Die Zugfestigkeit dieses Materials beträgt ungefähr 40 Kp/mm ; die Viekershärte HV10 ungefähr 115 Kp/mm"; die Rekristallisationstemperatur etwa 600 0C; der Ε-Modul etwa 56ΌΟ Kp/mm ; der lineare Warmedehnungskoeffizient etwa 20 · 10~" · ·§π und die Dicke des Bleches etwa 0,15 mm. Das Material ist beiderseitig mit einer etwa 40 u dicken Lötmittelschicht aus Pb 96Sn4 plattiert.
In der Fig. 3 ist die Ansicht eines fertig montierten und verlöteten Halbleiterbauelementes dargestellt, wie durch die Lötstellen 40 angedeutet. Zumindest die Oberfläche des fertig ver-
löteten Halbleiterkörpers kann nun mit einer Sehutzlackschicht überzogen werden; anschließend wird in bekannter Weise eine hermetisch gegen Umwelteinflüsse abschließende MetalTkapsel auf die Unterlage 14 gelötet oder geschweißt.
Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein Halbleiterbauelement auch von völlig ungeübten Arbeitskräften zusammengebaut werden kann. Weiterhin bleibt ein Anpreßdruck auf die mit den Anschlußfahnen zu verlöteten Kontakflächen während des gesamten Lötvorganges erhalten, so daß auch beim Schmelzen des Lötmittels keine Kontakttrennungen auftreten können. Das Justieren geschieht mit Hilfe von Montageschablonen und die
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einmal einjustierte Stellung bleibt auf Grund der Selbsthemmung der Eontaktbügel mit den Anschlußstiften erhalten. Wird durch irgendwelche äußeren Einwirkungen die .Justierung doch einmal verändert j so ist' es leicht möglich, das montierte Halbleiter-· bauelement wieder auseinanderzunehmen -und neu zu ,montieren.■ Weiterhin ist es möglich, einen Kontaktbügel mit einer Reihe von sowohl neben- als auch übereinander liegenden Anschlußfahnen verseilen und so beispielsweise einen Leistungstransistor mit mehreren Emitteransohlüssen in einfacher, Weise.;zu^kpnitafctte^ ren.
Die genaue und sichere Kontaktierung mit Hilfe der auch wahrend des Eö'tvorgänges federnden, mit Lötmittel überzogenen Kontaktbügel ergibt, beispielsweise bei einem leistungshalblflterbaue!einent, auch für hohe Belastungsströme zuverlässige Kontakt-Verbindungen. Mit .der erfindungsgemäßen Kontaktierung können 'die Herstellungskosten eines Halbleiterbauelementes erheblich gesenkt werden. '
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Claims (11)

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    Ansprüche
    1, Verfahren zum. Kontaktieren eines Halbleiterkörpers, der auf eine mit isoliert durchgeführten Anschlußstiften versehene unterlage aufgelötet wird, und der an seiner freien Oberfläche Kontaktstellen aufweist, die leitend mit den Anschlußstiften verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß in genau festgelegter Lage auf die metallische Unterlage (14) eine Montageschablone (12) gelegt wird, die Ausschnitte (18 bis 20) aufweist, von deren Führungskanten (30) 'die Halbleiterkörper (22) und. Kontaktierungsteile in genau festgelegter Stellung zueinander und=zu der Unterlage ausgerichtet werden, daß daraufhin Lotfolie (21) und die Halbleiterkörper (22) durch die Schablonenausschnitte (18 bis 20) hindurch auf die Unterlage (14) gebracht werden und daß anschließend federnde mit Lötmittel überzogene die Kontaktierungsteile darstellende Kontaktbügel (23, 24), deren Lage ebenfalls durch die Montageschablone (12) ausgerichtet wird, in der Art auf die Anschlußstifte (15> 16) gesteckt werden, daß sich deren eingenommene Lage durch Selbsthemmung der Steckverbindung nicht mehr verändern kann.
  2. 2. Verfahren zum Kontaktieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Kontaktbügeln Lotringe (25) zum Verlöten der Kontaktbügel (23, 24) mit den Anschlußstiften (15, 16) aufgesteckt werden. -
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  3. 3. Verfahren zum Kontaktieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schablone (12) gleichzeitig als Maß dafür dient» wie weit die Kontaktbügel (23, 24) zum Einhalten eines größten vorgegebenen Vorspannweges über einen Anschlußstift geschoben werden müssen.
  4. 4-. Kontaktbügel zur Durchführung des Verfahrens nach, den An-Sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem elastischen Material hergestellt ist, und daß der auf einen Anschlußstift aufgesteckte Teil U-förmig mit zwei übereinanderliegenden Durchstecköffnungen (29) ausgebildet ist.
  5. 5. Kontaktbügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktbügel mehrere Kontaktfahnen aufweist.
  6. 6. Kontaktbügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Kontaktflächen (26, 27) der Halbleiterkörper (22) führenden Anschlußfahnen (28) zweifach abgewinkelt sind, zunächst von der Montageebene fort und. dann auf die Kontakt-* flache zu, und daß die auf die Kontaktflächen aufliegenden Stellen annähernd parallel zu der Unterlage zu Kontaktfüßchen abgeflacht sind.
  7. 7. Kontaktbügel nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schenkel des U-förmigen auf einen Anschlußstift aufgesteckten Teiles in Kontaktfahnen .auslaufen, die in zwei Ebenen übereinander liegen.
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  8. 8. Kpnt^k^bjjgel nach-Anspruch 4 bis 7,. dadurch gekennzeichnet,. ..„daß die -Kontaktfahne,n:( 28.) mit Hilfe der Regeln für die Balkenbiegung so bemessen sind, daß, ihre auf den Halbleiterkörper ausgeübten Anpreßkräfte rückwirkungsfrei voneinander und annähernd gleich sind. . , . . ....... .,,-,,-,
  9. 9.. Kontaktbügel nach. Anspruch 4 bis 8,. dadurch gekennzeichnet, . daß die Kontaktbügel .aus einem Material hergestellt sind, das'auch während des Lötprozesses seine federelastischen Eigenschaften beibehalt. . . .
    TO. Kontaktbügel nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbügel aus einem Blech mit folgenden Eigenschaften hergestellt ist: . . . .
    Material: Ag 97 Cu3
    Zugfestigkeit: . 40 <^ kp/mm : ..
    Vickershärte: . .. . HV-jQ ^ 115 kp/mm . Rekris tallis ations temper atur: ..:^ + 600 0C E-Modul: <:.-56OO kp/mra2
    Linearer Wärmedehnungskoeffizient: ^- 20.1.0 ^77 Beiderseitig plattiert mit 40 p. Pb 96Sn4 Dicke: -'^ 0,15 mm
    Spezif. elektr. YiTiderstand = 1 ,94.10""6-O-cm bei 20 0C Temp.-Koeffizient d. V*riderst. = +3,4.10~5 °C~1 Wärmeleitfähigkeit ->: 3,5 V/ cm"1 0G"*1
    ' Temp.-Koeffizient der α λ
    ■ .. ■ . Wärmeleitfähigkeit ·:,+5.10"^ °θ"Ί ~·. . ;;-.■.. -
  10. 1 0 9 8 24 / T 6 2 S
    -12- .* ■
    Robert Bosch GmbH . ' R. 9635
    Stuttgart .·'.,"".
  11. 11. Kontaktbügel nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbügel Pannen (35) zum Greifen mit z.B. einer Pinzette aufweisen. "_
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