DE3917765A1 - Verfahren zum verbinden von zwei scheibenfoermigen koerpern aus materialien unterschiedlicher thermischer ausdehnungskoeffizienten - Google Patents

Verfahren zum verbinden von zwei scheibenfoermigen koerpern aus materialien unterschiedlicher thermischer ausdehnungskoeffizienten

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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.
Ein Verfahren dieser Art, das zum Befestigen von Halbleiter­ bauelementen auf metallischen Substraten dient und als Diffu­ sionsschweißverfahren bezeichnet wird, ist in der DE-A-33 25 355 beschrieben. Ein anderes Verfahren dieser Art, das unter der Bezeichnung "Drucksinterverfahren" bekannt ge­ worden ist, ist dem US-A-48 10 672 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 von einander 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.
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.
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.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeigneten Anordnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung zum Verbinden zweier scheibenförmiger Körper mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsk­ oeffizienten und
Fig. 2 eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 1 zum gleichzeitigen Verbinden einer Mehrzahl von scheiben­ förmigen Körpern.
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 einer im einzelnen nicht dargestellten, vorzugsweise hydraulischen 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.
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.
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.
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.
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 Metallscheiben aus unterschiedlichem Material darstellen.

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, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Körper (1, 2) zwischen zwei kugel­ kalottenförmige 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, und daß die 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 Verbindungstempera­ tur liegende Temperatur eine im wesentlichen ebene und span­ nungsfreie Verbindung derselben ergibt.
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.
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.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beide Pressen­ stempel (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.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verbinden eines scheibenförmigen Halbleiterkörpers mit einem scheibenförmigen metallischen Substrat.
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