Verfahren zum Montieren einer Halbleitervorrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbes sertes Verfahren für das Montieren einer Halbleiter vorrichtung an eine metallische Stütze. Im besonderen betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren für die Herstellung eines Kontaktes, der eine gute Wärmeableitung für Halbleitervorrichtungen mit flä- chenförmigen Übergängen ermöglicht.
Beim Betrieb von Halbleitervorrichtungen mit flächenförmigen Übergängen, z. B. Flächendioden oder Flächentransistoren, wird Wärme erzeugt, wobei die erzeugte Wärmemenge mit der von der Halblei tervorrichtung bewältigten Leistung zunimmt. Es wurde festgestellt, dass der Grossteil der durch solche Vorrichtungen erzeugten unerwünschten Wärme in der Kollektorzone entsteht.
Die so während des Betriebes der Halbleitervor richtungen erzeugte Wärme muss abgeleitet werden, sonst steigt die Temperatur auf einen Wert an, bei dem die Wärmeenergie des Halbleiters hinreicht, um Elektronen vom Valenzband über den Energiespalt in das Leitungsband anzuheben, so dass die Vorrich tung nicht mehr betriebsfähig ist. Aus diesem Grunde können Transistoren, bei denen die Halbleiterscheibe aus Germanium besteht, im allgemeinen nicht bei Temperaturen oberhalb 100 C betrieben werden: Die Beseitigung der während des Betriebes von Halb leitervorrichtungen erzeugten Wärme ist für Lei-. stungstransistoren besonders wichtig, da die Lei stungsfähigkeit solcher Vorrichtungen durch die Ab kühlgeschwindigkeit derselben begrenzt bzw. be stimmt wird.
Es wurden verschiedene Verfahren verwendet, um die in Halbleitervorrichtungen entstandene Wärme abzuleiten. Beispielsweise bestand eine Me thode darin, die Halbleitervorrichtung luftdicht in einen mit Öl oder einer sonstigen Flüssigkeit gefüllten Behälter einzuschliessen. Doch war die Wirkung der üblicherweise verwendeten Flüssigkeiten unbefrie digend, da diese Flüssigkeiten nicht genug Wärme ableiteten und da sie dahin wirken, die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung dadurch zu ver schlechtern, dass sie nachteilig auf die Oberfläche des Halbleiterkristalls einwirken.
Für die Ableitung der Wärme von Halbleiter vorrichtungen der Art wie die oberflächenlegierten Leistungstransistoren, die zumindest eine von der Oberfläche der Halbleiterscheibe vorragende metal lische Elektrode besitzen, wurde eine andere Methode angewandt. Solche Vorrichtungen wurden nämlich mit Wärmeableitern oder Wärmesenken verbunden, die üblicherweise einen verhältnismässig grossen me- tallischen Körper besassen, der die in der Vorrichtung entstandene Wärme aufnahm.
Der Wärmeableiter überträgt die aufgenommene Wärme auf das Chassis des Gerätes oder gibt sie direkt an die Umgebungs atmosphäre ab, die ja letztlich die erzeugte Wärme aufnehmen muss. Eine .ernstliche Schwierigkeit dieser Methode bestand darin, eine wärmeleitende Verbin dung mit geringem Widerstand für den Wärmeüber gang zwischen der Halbleitervorrichtung und dem metallischen Wärmeableiter herzustellen, ohne neue Probleme für die Fabrikation oder gar eine Schädi gung der Halbleitervorrichtung herbeizuführen.
Es wurde versucht, oberflächenlegierte Leistungs transistoren auf eine metallische Wärmesenke, z. B. einen Träger aus Kupfer, dadurch zu montieren, dass man eine der legierten Elektroden der Halbleitervor richtung direkt auf den Träger auflegiert. Doch hat auch diese Methode nicht befriedigt. Um nämlich eine feste Verbindung herzustellen, muss das Löt- mittel Elektrodenmaterial auflösen bzw. sich mit die sem legieren.
Es hat sich als schwierig erwiesen, zu verhüten, dass das Lötmittel die ganze Elektrode löst bzw. sich mit der ganzen Elektrode legiert und da durch den Aufbau der Vorrichtung verändert.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Ver fahren für das Montieren einer Halbleitervorrichtung, die zumindest eine metallische Elektrode aufweist, die aus der Oberfläche der Halbleitervorrichtung vor ragt, an eine metallische Stütze. Das Verfahren ist besonders geeignet für Halbleitervorrichtungen mit legierter Flächenelektrode aus Indiumlegierung, kann aber auch in modifizierter Form bei Halbleitervor richtungen mit Elektroden aus anderem Material an- gewandt werden.
Das Verfahren nach dieser Erfindung ist be stimmt für das Montieren einer Halbleitervorrich tung, die zumindest eine aus der Halbleitervorrich tung vorragende metallische Elektrode aufweist, an eine metallische Stütze.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekenn zeichnet durch folgende Verfahrensstufen: mit der für die Halbleitervorrichtung bestimmten metallischen Stütze wird eine Masse aus niedrigschmelzender Le gierung in Berührung gebracht, die das Material der metallischen Elektrode bei einer Temperatur unter halb des Schmelzpunktes der Elektrode lösen kann, wobei die Masse der Legierung jedoch so klein ge wählt wird, dass sie nicht die ganze Elektrode lösen kann,
anschliessend wird die Elektrode gegen die Legierungsmasse gedrückt und der Aufbau aus Halb leitervorrichtung, Legierungsmasse und Stütze auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb des Schmelz punktes der Elektrode liegt, aber hoch genug ist, um die Legierungsmasse zum Schmelzen zu brin gen und einen Teil der Elektrode zu lösen, worauf der Aufbau abgekühlt wird, so dass sich die ge schmolzene Legierung verfestigen und die Vorrich tung fest mit der Stütze verbinden kann.
Da die Stütze aus Metall besteht und zweckmä- ssigerweise die Masse der Stütze im Verhältnis zur Masse der Halbleitervorrichtung gross ist, bildet die Stütze nicht nur einen mechanischen Halt und eine elektrische Zuleitung zur Halbleitervorrichtung, son dern wirkt auch als Wärmeableiter zum Kühlen des Aufbaues. Gewünschtenfalls können in dem Wärme ableiter umgewälzte flüssige oder gasförmige Kühl mittel vorgesehen sein.
In der beiliegenden Zeichnung ist beispielsweise eine Halbleitervorrichtung in ver schiedenen Stufen des Zusammenbaues nach einem erfindungsgemässen Verfahren veranschaulicht und Verfahren und Vorrichtung sind nachfolgend be schrieben.
Es zeigen: Fig. 1 im Aufriss und im Schnitt eine Halbleiter vorrichtung, deren zusammenzubauenden Teile in auseinandergezogener Stellung dargestellt sind und eine metallische Elektrode, eine Legierungsmasse in Form einer Scheibe sowie eine Stütze für die Halb- leitervorrichtung umfassen, Fig. 2 im Schnitt einen Aufriss der Teile der Fig. 1 in zusammengebautem Zustand vor dem Auf heizen, um sie miteinander fest zu verbinden,
und Fig. 3 im Schnitt einen Aufriss der Teile der Fig. 2 nach dem Aufheizen, um die Halbleitervor- richtung fest mit der Stütze zu verbinden.
In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugs zeichen auf gleiche Teile.
Die Halbleitervorrichtung 10 gemäss Fig. 1 ist ein oberflächenlegierter Leistungstransistor und be sitzt eine Halbleiterscheibe 11, zwei Gleichrichteelek- troden 12 und 13, die koaxial aufeinander gegen überliegende Flachseiten der Halbleiterscheibe 11 auflegiert sind, und einen ohmischen Basiskontakt 14 für die Halbleiterscheibe.
Im vorliegenden Falle bestehen die Scheibe 11 aus n-leitendem Germanium, die beiden Elektroden 12 und 13 aus Indium und der Basiskontakt 14 aus einem Nickelring, der auf eine grössere Scheibenoberfläche rund um eine Gleich richterelektrode 12 aufgekittet ist. Die Elektrode 12 ist die kleinere der beiden Elektroden und wird als Emitter benutzt. Eine elektrische Zuleitung 15 ist an dem Emitter 12 befestigt.
Die Elektrode 13, die beim fertigen Transistor als Kollektor benutzt wird, be sitzt im vorliegenden Falle einen Durchmesser von etwa 4,445 mm.
Die Legierungsmasse 16 ist im vorliegenden Bei spiel eine Scheibe von 0,1143 mm Dicke und von einem Durchmesser von 2,286 mm. Da im vorlie genden Falle die Kollektorelektrod'e aus Indium be steht, muss die hier verwendete Legierungsmasse Indium lösen können und einen Schmelzpunkt be sitzen, der unter dem Schmelzpunkt von Indium (155 C) liegt. Eine für diesen Zweck brauchbare Le gierung besteht aus 50 Gewichts- % Indium und 50 Gewichts-% Zinn. Der Schmelzpunkt dieser Legie rung liegt bei etwa 117 C.
Das Volumen der Le gierungsmasse 16 ist kleiner als das Volumen der Kollektorelektrode, so d'ass die Legierungsmasse 16 zu klein ist, um in geschmolzenem Zustand die ganze Kollektorelektrode 13 zu lösen.
Es ist zweckmässig, für die Entfernung von Oxi- dationsprodukten von dem Teil der Oberfläche der Stütze, der mit der Halbleitervorrichtung verbunden werden soll, ein Flussmittel zu benutzen. Ein für den vorliegenden Fall brauchbares Flussmittel besteht aus 10 %iger Chlorwasserstoffsäure. Ein Tropfen 10 %iger Chlorwasserstoffsäure wird (nicht gezeigt) auf einen vorbestimmten Teil einer Flachseite der Stütze 17 aufgebracht 'und auf diesen Tropfen eine niedrig schmelzende Legierungsscheibe 16 gesetzt.
Auf die Scheibe 16 wird der Transistor 10 gesetzt und mit der Elektrode 13 gegen die Legierungsmasse 16 gedrückt. Der so erhaltene Aufbau aus Transistor, Legierungsmasse und Stütze ist in Fig. 2 veranschau licht.
Dieser Aufbau aus Transistor, Legierungsmasse und Stütze wird nun auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Elektrode, aber genügend hoch, so dass die Legierungsmasse schmelzen kann, erhitzt, so dass die geschmolzene Legierungsmasse einen Teil der Elektrode löst. Die Aufheizung kann in einem gewöhnlichen Ofen erfolgen, vorausgesetzt, dass eine nichtoxydierende Atmosphäre in dem Ofen aufrechterhalten wird.
Da eine Regelung der Ofen temperatur in engen Grenzen notwendig ist, um ein örtliches überhitzen auszuschliessen, ist es zweckmä ssig, die Aufheizung dadurch zu bewirken, dass der Aufbau gemäss Fig. 2 in ein Bad getaucht wird, das auf einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Legierungsmasse, aber unterhalb des Schmelz punktes der Kollektorelektrode gehalten wird. Dieses Verfahren sichert ein einheitliches Aufheizen des ganzen Aufbaues auf die gewünschte Temperatur.
Das Bad kann aus einer beliebigen Flüssigkeit mit einem Siede- oder Verdampfungspunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Legierungsmasse bestehen und muss gegenüber der Halbleitervorrichtung inert sein. Eine Reihe von organischen Zusammensetzungen mit einem Verdampfungspunkt oberhalb von 190 C sind gegenüber Halbleitervorrichtungen inert und können deswegen als Flüssigkeiten für das Bad zu dem ge nannten Zweck verwendet werden.
Solche organische Zusammensetzungen sind beispielsweise die Silikone, wasserfreies Lanolin, Polyäthylenalkohol und mehr wertiger Alkohol, wie z. B. Äthylenglykol und Glyce- rin. Im vorliegenden Beispiel wird der Aufbau für die Zeit von 30 Sekunden bis 2 Minuten in ein Glycerinbad getaucht, das auf einer Temperatur von 132 bis 145 C gehalten wird.
In dieser Zeit schmilzt die Legierungsmasse und löst einen kleinen benach barten Teil der Kollektorelektrode; doch bleibt die Schmelze am Platz und Volumen und Temperatur der Schmelze reichen nicht hin, die ganze Kollektor elektrode zu lösen. Der Aufbau wird alsdann aus dem Bad genommen und abgekühlt, damit die ge schmolzene Legierung wieder erhärten kann, wobei sie den Transistor fest mit der Stütze verbindet, wie das in Fig. 3 gezeigt ist.
Das Glycerin wird durch 30 Minuten dauerndes Waschen des Aufbaues in heissem, entionisiertem Wasser, 15 Minuten dauern- des Spülen in kaltem fliessendem Wasser und durch Trocknen an der Luft von den Oberflächen des Auf baues entfernt.
Obwohl das obige Ausführungsbeispiel einen pnp-Leistungstransistor betrifft, ist es einleuchtend, dass die Erfindung in gleicher Weise auch auf andere Halbleitervorrichtungen anwendbar ist, die eine von einer Oberfläche vorragende metallische Elektrode aufweisen und auf einen Wärmeableiter montiert wer den sollen.
Beispielsweise kann in gleicher Weise ein npn-Transistor mit einer oberflächenlegierten Kollek- torelektrode aus Bleiarsen oder Bleiantimon durch eine Legierungsmasse- aus Blei und Zinn mit einem Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt der Kollek- torelektrode auf einen Wärmeableiter montiert wer den. Auch können weitere Änderungen an dem Auf bau und dem Verfahren vorgesehen werden, ohne dass dadurch der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.