DE1945899A1

DE1945899A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1945899A1
Application number: DE19691945899
Authority: DE
Inventors: Makoto Homma; Yuichiro Oya; Kaname Sakai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1968-09-11
Filing date: 1969-09-10
Publication date: 1970-03-26
Also published as: DE1945899B2; FR2017780A1; JPS51292B1; GB1276682A

Description

»ipt.-lng.R.BeettU. DIpL-Ing. Lamprecht

MdMhM 22, StelMdoffMi. 1·

81-14.9O4P(14.9O5H) 10.9-1969

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer

Herstellung

Sie Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit verbesserten Wärmeleiteigenschaften, insbesondere auf eine integrierte Schaltkreisvorrichtung.

Bisher ist bereits die Plächenverbindungstecnnik bekannt, bei der allgemein eine Halbleiterplatte mit einer Oberfläche, auf der eine große Zahl von Elektroden angebracht ist, umgekehrt auf einer Trägerplatte mit einer Hehrzahl von leitenden flächenteilen derart angeordnet wird, daß die Elektroden entsprechend mit den leitenden 3?lächenteilen auf der Trägerplatte verbunden werden.

81-Pos.19.336-TpP (8)

009813/1213

ßAD ORIGINAL

Eine solche Flächenverbindungstechnik ist insofern vorteilhaft, daß sich ein guter Arbeitswirkungsgrad und eine hohe Verläßlichkeit der hergestellten Vorrichtung erzielen lassen, da keine feinen Zuführungedrähte zur Verbindung eines Halbleiterplättchens und einer Verdrahtungsbasisplatte erforderlich sind, hat jedoch den Nachteil, daß der Temperaturanstieg des Halbleiterplättchens groß wird, da die Bais-vplatte und das Halbleiterplättchen nur über kleine Elektrodenzonen verbunden sind, der Wärmewiderstand zwischen des Halbleiterplättehen und der Verdrahtungsbasisplatte daher groß wird und die im Halbleiterplättchen erzeugte Wärme nicht gut abgeleitet werden kann. Saher ist auch der elektrische !eistungsverbrauch in dem Halbleiterplättchen begrenzt, und es wird schwierig, eine große Zahl von Schaltkreiseierneaten in einem Halbleiterplättchen zu integrieren (G-roßzahlintegretion). Außerdem ist, wenn eine Verdrahtungsbasisplatte mit einer großen Zahl von Halbleiterplättchen in einem Kasten angeordnet wird, die Zahl der unterzubringenden Halbleiterplättchen auf Grund dieses Hangels an Wärmeabfuhr begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die verbesserte Wärmeableiteigenschaften aufweist.

Außerdem soll die Erfindung eine Plächenverbindungs-Halbleitervorrichtung ermöglichen, die gegenüber einer mechanischen Belastung von außen und der Wärmebelastung widerstandsfähig ist.

Schließlich ist Aufgäbe der Erfindung die Angabe eines Verfahrens zur industriellen Herstellung der genannten HaIb-

0 0 9813/1213

^BA°OFiiGl_NAL

leitervorricutung unter möglichst weltgehender Ausschaltung einer mechanischen Beanspruchung des Halbleiterplättchens.

Die Halbleitervorrichtung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist erfindungegemäß gekennzeichnet durch

a) eine Unterlage mit einer isolierenden Hauptoberfläche and einer auf dieser angebrachten Hehrzahl von leitenden Flächenteilenj

b) ein Halbleiterplatteheη mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche und einer auf der ersten, der Hauptoberfläche der Unterlage zugewandten Hauptoberfläche angebrachten Mehrzahl von mit den zugehörigen leitenden Flächenteilen verbundenen Elektrodenj

c) eine Platte mit einer gegenüber der zweiten Hauptoberfläche größeren und dieser zugewandten Hauptoberfläche in einem bestimmten Abstand vom Halbleiterplättchen;

d) ein an der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens befestigtes, zwischen diesem und der Platte angeordnetes Zwischenstück mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als Luft; und

e) eine zwiscnen dem Zwischenstück und der Hauptoberfläche der Platte angebrachte Schicht aus Lötwerkstoff.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung aus wenigstens einem Halbleiterplättchen mit zwei Hauptoberflächen, auf deren einer eine Mehrzahl von Elektroden angebracht ist, und einer Trägerunterlage mit einer Mehrzahl von leitenden Flächenteilen in Anordnung entsprechend den Elektroden vorgesehen, wobei die Elektroden des

00981 3/1213

_ßAD ORIGINAL

HalbleiterpXättohens mit den leitenden Schichten der SDrägerunterlage durch Fläehe-an-Fläche-VetsMisä.tifig verbund enjsind, und äieee Vorrichtung weist das Hec3£gjc-1. auf, daß ein Ableitkörpes (©rwüüschterweise aus ainesa Werkstoff mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit; &leSuft) an einer anderen HauptoberfläeJae (Rückseite) des Halüleiterplättchens über ein Zwißeh98gtück mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als Luft, wie s.B. Teilchen oder kleinen Stücken aus Metall verbunden ist.

Daher läßt sich zusätzlich zu dem Wärmeleitweg von den Elektroden des Halbleiterplättchens zur Unterlage ein weiterer Wärmeleitweg (der Weg von der Rückseite des Halbleiterplättchens zum Wärmeableitkörper durch das Zwischenstückmaterial) zwecks Ableitung der in dem Halbleiterplättchen erzeugten Wärme auf Grund dieses Aufbaues schaffen, der Wärmewiderstand läßt sich so senken, und der dann auftretende Fehler, wenn ein Halbleiterplättchen mit einem großen Wärmeentwicklungswert nach der Flächenverbindungstechnik an einer Unterlage befestigt wird, läßt sich vermeiden. So läßt sich die tatsächliche Einrichtungsdichte des Halbleiterplättchens in dem Kasten verringern, und die Integraldichte der Schaltkreiselemente im Halbleiterplättchen läßt sich gleichzeitig verbessern.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert werdenj darin zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine integrierte Schaltkreisvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung^

009813/1213

ORIGINAL

Fig, 2 einen Schnitt durch, eine integrierte Schaltkreis-Torrichtung nach einem gegenüber der Pig. 1 modifizierten Ausführungsbeispielj

Pig. 3 einen Schnitt durch ein Halbleiterplättchen zur Erläuterung des Anbringungsvorganges des HaIbleiterplättchens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Pig. 4a eine AufBicht und 4b eine Schnittansicht nach der linie IYb-IVb in Pig. 4a eines Halbleiterplättchena zur Erläuterung des AnbringungsVorganges des Halbleiterplättchens nach einem anderen Ausführungebeispiel der Erfindung;

Pig·5a und 5b Sohnittansichten zur Darstellung einer «raten und einer zweiten Ausführungsart des Warmeableitkörperbefe&tigungsaufbaues nach der Erfindung;

Pig· 6a und 6b Sohnittansichten von Ausführungsbeispielen je einer Abwandlung eines Zwischenstückes;

Pig. 7a und 7b Schnittansichten einer Plächenverbindunga-Integriertaciialtkreisvorrichtung nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 8 einen Schnitt durch einen Wärmeableitkörperaufbau nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Pig. 1 ist ein Fall einer integrierten Schaltkreis-Vorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt· In einem Kasten aus einem keramischen Bodenteil 1, einem auf dem Bodenteil 1 angeordneten keramischen Bahnen 2 und einem am Rahmen 2 mittels einer Schicht aus lötwerkstoff 14 befestigten Deckel 3 ist eine keramische Unterlage 4- eingeschlossen, und eine Mehrzahl von leitenden

009813/1213 bad original

Flächenteilsn 8a, 8b, 8c und 8d ist auf einer Hauptoberfläche der Unterlage 4 angebracht. Halbleiterplättohen 5a und 5b mit zwei Hauptoberflächen und einer Mehrzahl von Elektroden 6a, 6b, 6c und 6d auf einer dieser Oberflächen sind der Haupt oberfläche der Unterlage 4 gegenübergestellt, wobei die eine Hauptoberfläche nach unten gerichtet ist, und die Elektroden sind mit entsprechenden leitenden Flächen·* teilen elektrisch verbunden. Kugelförmige Metallzwischenstücke 7a und 7b sind mittels der lötwerkstoffe 11a und ⁴i*b an der Rückseite jedes Halbleiterplättehens befestigt, und ein Seil jedes kugelförmigen Zwischenstückes ist mit eine:? Schicht aus lötwerkstoff 12 bedeckt, die auf der Innenwand des Deckels 3 angebracht ist, damit dieser als Wärmelsitkörper~wirkt, wie Fig. 1 zeigt. Eine lötwerkstoffschicht und Zuführungen 10a und 10b, die sich durch die lötwerkstoff schicht 13 erstrecken, sind zwischen dem Rahmen 2 und dem Unterteil 1 esgeortost. Die leitenden Flächenteile 8a und 8d in dem Kasten sind über feine Drähte 9a und 9b elektrisch mit den Zuführungen 10a und 10b verbunden.

Natürlich kann lediglich ein Ssaneiator in dem Halbleiterplättchen enthalten sein, doch können sich darin auch eine Kombination von zwei oder mehr Schaltkreiselementen, wie Transistor, Diode, Widerstand und Kondensator darin befinden. Auch können Filmwiderstände oder Filmkondensatoren in der gleichen Weise, wie die leitenden Flächfenteile erzeugt sind, nach der bekannten Takuumverdampfungs- oder Fotoätztechnik auf der Unterlage 4 erzeugt werden. Die Zwischenstücke 7a und 7b bestehen aus einem festen Werkstoff, der bei der Temperatur, wo der Lötwerkstoff 12 schmilzt, nicht schmilzt, um seine vorher gefertigte Form beizubehalten^ und z. B. verwendet man hierzu Cu-Kugeln. Der keramische Unter-

009813/1213 -

SAD ORIGINAL

teil 1 und die keramische unterlage 4 sind getrennt hergestellt, and ihre leitenden Zonen sied durch Zuführungsdr ähte 9a und 3d verbunden. ^Ta nach den Umständen können jedoch die leitenden i*läeh#»teile auf der Unterlage 4 direkt mit den Zuführungen 10a und 10b verbunden werden, wo die Zuführungsdrähte 9a und 9b nicht unbedingt erforderlich sind.

Der Zusammenbau des bevorzugten Ausführungsbeispiels läßt sich wirksam z. B., wie folgt, durchführen.

(1) Durch lötwerkstoffmengen 11a, 11b mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt werden die Cu-Kugeln 7a, 7b auf den rückwärtigen Oberflächen der Halbleiterplättchen 5a und 5b entgegengesetzt zu den Oberflächen befestigt, wo die Elektroden 6a, 6b, 6c und 6d ausgebildet sind,

(2) Die Lage der Hehrzahl von Elektroden jedes der Halbleiterplättchen ist auf eine bestimmte Stellung der entsprechenden leitenden Flächenteile auf der Unterlage 4 festgesetzt, und sie werden daran nach der Ultraschall-Schweißtechnik befestigt. Neben dieser Ausführungsart kann eine solche Terbindung nach verschiedenen Arten der JPlächenverbindungstechnik ausgeführt werden, bei der die Verbindung ausgeführt wird, indem man die Oberfläche, an der die Elektroden angebracht sind, und die Unterlage aufeinanderlegt, z. B. nach einem Verfahren unter Verwendung von Lötwerkst offkugeln, einem Verfahren unter Verwendung von Sockeln oder einem Verfahren unter Verwendung von Strahlenzuführungen.

(3) Der Bahmen 2 wird auf einer Oberfläche dee Bodenteils 1 angeordnet, wo die Schicht 13 aus Lötwerkstoff oder einem Verbindungsmittel zwischen ihnen zusammen mit den Zu- .

009813/1213

führungen 10a und 10fe eingebracht werden. Metallisierte Schichten 15» 14 werden in der VertJLifting dee Bodenteile 1 und eiern oberen Seil dee B&hmmB 2 gebildet«

(4) Die Unterlage 4 wird Über lic; metallisiert* Schicht 15 als Terbindungsschicfct em Boden der Vertiefung dee Easten&odenteils 1 befestigt»

(5) Me leitenden Plächenteile 8a und 8d der Unterlage und die nach außen führenden Zufuhrungsdrähte 10a und 10b, die sich zwischep dem Rahmen 2 und dem Bodenteil 1 erstrecken, werden jeweils mit Zuiührungsdrähten 9a und 9b eines Durchmessers von etwa 25 bis 38 /U verbunden.

(6) Der Lötwerkstoff 12 mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt wird auf einer Oberfläche des Deckels 3 angebracht, der Deckel wird auf einem Halter mit der Oberfläche nach oben angeordnet, und dann wird der gemäß dem Verfahrensschritt (3) vorbereitete Bodenteil 1 auf den Deckel 3 aufgesetzt. Der Lötwerkstoff 12 schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur als die Schmelzpunkte der lötwerkstoffe 11a und 11b und der Elektroden, die kugelförmigen Zwischenstücke auf den rückwärtigen Oberflächen der Halbleiterplättchen werden mit dem geschmolzenen Lötwerkstoff 12 in Berührung gebracht, und andererseits wird der Eahmen 2 auf den Umfang des Deckels 3 ausgerichtet. Dabei kann die Abdichtung des Kastens auch durchgeführt werden, indem man gleichzeitig die metallisierte Schicht auf der oberen Oberfläche des Rahmens 2 schmilzt, wenn der Lötwerkstoff 12 geschmolzen wird.

009813/1213

f945*99 - 9 -

(7) Sann wird durch. Erstarrung des geschmolzenen lötwerkstoff B eine gewünschte integrierte Schaltkreisvorrichtung vollendet. In einer solchen Halbleitervorrichtung addiert sich ein Wärmeleitweg von der Rückoberfläche des Halbleiterplättohens zum Deckel 3 zu dem Wärmeleitweg von den HaIbltierplättchen 5a und 5b durch die Elektroden zur keramischen Unterlage 4, so daß die Wärmeableitung erleichtert wird und "san eine wirksame Plächenverbindungs-Halbleitervorriehtung erhalten kann. Allgemein tritt jedoch, wenn das Halbleiterplättchen direkt am Wärmeableitkörper befestigt wird oder man eine dünne Lötwerkstoffschicht zwischenfügt, eine Gefahr auf, daß das Halbleiterplättchen auf Grund einer mechanischen Beanspruchung oder einer Wärmebeanspruchung beschädigt wird, die auf das Plättchen über den Wärmeableitkörper oder Deckel von außen einwirkt, doch im Fall vorliegender Erfindung sind die Zwischenstücke 7a, 7b zwischen den Halbleiterplättchen und dem Wärmeableitkörper oder dem Deckel 3 angebracht, so daß diese Gefahr fast überhaupt nicht auftritt. Wenn nämlich, z. B. ein Wärmeableitkörper direkt an die Rückseite eines Halbleiterplättohena angelötet wird, besteht die Möglichkeit, daß dm« Halbleiterplättchen zerbricht, falls eine Biegebeanaprucliung durch eine äußere Kraft entweder während des Zusammenbaues oder nach der Fertigstellung darauf einwirkt, da die Dicke des Halbleiterplättchens meistens zwischen 100 und 300 /U liegt. Außerdem treten dabei viele Nachteile auf, die den Zusammenbauvorgang schwierig machen, da der Abstand zwischen der Unterlage und dem Wärmeableitkörper gering ist und die Gefahr besteht, daß beim Verlöten des Halbleiterplättchen· alt dem Wärmeableitkörper der Lötwerkstoff mit dem VerdrehtungBweg der Unterlage an der Seite des dünnen Plättchens in Berührung kommt oder ein unvollkommener Eontakt zwischen dem Plättchen und dem Wärmeableitkörper auftreten kann, und diese Nachteile werden zu einem ersten

009813/1213 _ßA0

Problem, wenn der Wärmeableitkörper groß ist, eine Vielzahl von Halbleiterplättehen mit einem Wärmeableitkörper verbunden wird oder viel lötwerkstoff zwischen dem HaIbleiterplättchen und dem Wärmeableitkörper verwendet -werden muß. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß das Zwischenstück von etwa der gleichen Sicke wie die Breite des Halbleiterplättchens zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Wärmeableitkörper eingefügt, so daß die mechanische Festigkeit des Plättchens durch das Zwischenstück wes^atlich verstärkt wird und ein Zerbrechen des Plättchens nicht nur während des Zusammenbaues, sondern auch nacn der Fertig» stellung verhindert werden kann· Besonders ergibt sion dabei der Vorteil, daß der Lötvorgang zwischen dem Deckel und dem Zwischenstück erleichtert wird, da der Abstand zwischen der unterlage und dem Wärmeableitkärper durch das Zwischens¥l8k gröBer gesacfet werden kann. Auoh läßt sich., selbst, wenn eine erheblich groß® Menge ¥on lötwerkstoff beim Verlöten des Halbleiterplättehens mit &m Zwischenstück oder des Zwischenstücks mit Sem Wärmeafoleitkörper verwendet wird, der Fluß von !lötwerkstoff an der Seitenfläche des Zwischenstückes abfangen, da das Zwischenstück von kugelförmiger Gestalt nicht aehnilzt, und die Probleme eines Kurzschlusses zwischen dem lötwerkstoff 12 und den leitenden Flächenteilen an der Unterlage sowie eines unvollkommenen Eontakts zwischen dem Zwischenstück und dem Wärmeableitkörper lassen sich so vermeiden.

Es soll nun ein weiteres verbessertes Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben werden.

Im Fall sines Halbleiterplätteiiene mit einer großes Bau.ptoberflache im Vergleich zu seiner Dicke, wie z. B. insbesondere eines Plättchens für eine integriert© Schaltung-.,

009813/1213

es erwünscht, vorher ein STwlschenstück auf der Rückseite des Plättchene anzubringen, W das Zerbrechen des Plättchens auf Grund einer äußeren Kraft beim Befestigen des Plättchens an der unterlage su verhindern, und dafür läßt sich das folgende Verfahren anwenden« Die Tielzahl von Zwischenstücken wird auf einer Halbleiterwaffel toc großer !fläche unter Festlegung ihrer Stellung mittels einer Einspannvorrichtung (Schablone) befestigt, und danach wird die Waffel zerschnitten, um die einzelnen Plättchen zu erhalten} dieses Verfahren ist in industriellem Maßstab anwendbar. Bei einem anderen industriellen Verfahren wird das Zwischenstück auf der ganzen Oberfläche der Halbleiterwaffel angebracht und gleichzeitig dann mit durchgeschnitten, wenn die Waffel in einzelne Plättchen zerschnitten wird, so daß man eine Mehrzahl von Plättchen erhält, auf deren Bückseiten Zwischenstücke angebracht sind.

Wenn ein Teil des Kastens als Wärmeableiter wirkt und. die Stellung relativ zum Halbleiterplättchen festgelegt ist, wie Fig. 1 zeigt, wird der Abstand zwischen der Rückseite des Plättchens und dem Wärmeableitkörper durch die Sicke der Unterlage und des Kastenrahmens bestimmt. Es ist industriell schwierig und nicht erwünscht, die Genauigkeit des Abstandes extrem in die Höhe zu treiben. Außerdem ist die Dicke des an einzelnen Plättchen befestigten Zwischenstücks nicht fest bestimmt. Da die Abstände zwischen den Zwischenstücken und den Deckeln bei den einzelnen Plättchen nicht konstant sind, besteht die Gefafcr, daß 4er Deckel in direkte Berührung mit dem Zwischenstück kommen könnte und daher eine äußere Kraft auf ein Plättchen einwirken müßte. Daher ist, wie Pig. 2 zeigt, in der für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, die Höhe h des Zwischenstücks 7b etwas kleiner als der Abstand H zwischen der Rückseite des

009813/1213

Plättchens 5b und dem Wärmeableitkörper 5 gemacht, damit keine direkte Berührung zwischen dem Zwischenstück 7b und dem Wärmeableitkörper 3 auftritt. Man kann dann durch Ausfüllen des Baumes mit einer Menge von Lötwerkstoff 12 vermeiden, daß die auf den Deckel oder den Wärmeableitkörper während des Zusammenbaues ausgeübte Kraft direkt auf das Halbleiterplättchen einwirkt. Es ist ein Merkmal dieses Ausführungsbeispiels, daß dabei der eine Vertiefung aufweisende Wärmeableitdeckel 3 als WÄrmeableitkörper verwendet wird. Das Herstellungsverfahren ist das gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, doch es tritt hierbei nicht die Gefahr auf, daß der Lötwerkstoff 12 bis zu dem Verdrahtungsteil an der Unterlage 4 vordringt, selbst wenn eine ausreichend große Menge von Lötwerkstoff verwendet wird, da die Zwischenstücke 7a und 7b zwischengefügt werden, und so läßt eich eine sehr einfache und wirksame Verbindung herstellen.

Wenn die Dicke des Zwischenstücks größer als der Abstand zwischen dem Plättchen und dem Deckel ist, wird ein Teil des Zwischenstückes z. B. mittels Abschleifens entfernt, um seine Dicke geringere als diesen Abstand zu machen, bevor der Wärmeableitkörper, d. h. der Deckel befestigt wird, und dann wird das Zwischenstück verwendet.

Was die Form des Zwischenstücks angeht, so lassen sich eine Form wie die schon beschriebene Kugelform, die Form eines Kegels, einer Scheibe^oder einer Halbkugel und verschiedene andere Formen verwenden, doch unter Berücksichtigung der Leichtigkeit der Herstellung und der Verbindung mit einem rechteckigen Plättchen ist eine Kugelform, Scheibenform oder Halbkreis form für das Zwischenstück sehr vorteilhaft. Wenn ein kugelförmiges Zwischenstück verwendet wird, macht man seinen Durchmesser nahezu gleich der größten Breite des

0 0 9 813/1213

Halbleiterplättchens oder etwas geringer, da es erwünscht ist, bei der Verbindung zwiscnen dem Zwischenstück und dem Plättchen mittels einer großen Menge von lötwerkstoff eine große Berührungsfläche zu erhalten, um eine bessere Wärmeableitung zu ermöglichen. Wenn jedoch der Durchmesser zu klein ist, konzentriert sich die vom Deckel übertragene äußere Kraft auf einen Punkt der Halbleiterplättchenoberfläche, weshalb der Durchmesser vorzugsweise größer als die kleinste Breite des Halbleiterplättchens gemacht werden sollte, um eine solche Situation zu vermeiden. Wenn das Zwischenstück mit der Rückfläche des Halbleiterplättchens verlötet wird, saugt sich der Lötwerkstoff in den Raum zwiscnen dtm kugelförmigen Zwischenstück und der Rückfläche des Halbleiterplättchens, und es wird vermieden, daß der Lötwerkstoff zur Seitenfläche des Plättchens fließt, indem aan den Durchiieseer in der beschriebenen Weise festlegt.

Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel wird das Zwischenstück durch Anlöten eines vorgeformten Körpers an der Rückseite des Plättohene hergestellt, doch nach einem anderen Verfahren wird eine Metallschicht auf der Rückseite des Plättchens durch Vakuumverdampfung, Plattierung oder Ankleben erzeugt, und auch die so erhaltene Metallschicht läßt sich als Zwischenstück verwenden. Ss ist zweckmäßig, die Rückseite des Plättchens nach einem Verfahren wie Plattieren oder Verdampxen vorher zu metallisieren, um das Verlöten des Zwischenstücks mit der Unterlage zu erleichtern, oder eine Isolierschicht, z. B. aus SiO₂ oder Si,S., am Umfang des Plättchens anzubringen, um das Abfließen des Lötwerkstoffs zu verhindern. Der Schmelzpunkt des Verbindungswerkstoffs, der bei dem jeweiligen Verbindungsvorgang verwendet wird, sollte in Abhängigkeit von der Reihenfolge der Verbindungsvorgänge festgelegt werden, und es ist natürlich vorteilhaft, den

009813/1213

_6A0

Schmelzpunkt des Werkstoffes, der beim letzten Verbindungsvorgang verwendet wird, als niedrigsten zu wählen. Insbesondere der Schmelzpunkt des lötwerkstoffee, der an der inneren Oberfläche des Deckels verwendet wird, sollte zweckmäßig niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls sein, aus dem die Elektrode des Halbleiterplättchens gemacht ist. Das in Pig. 3 gezeigte Verfahren ist für die Ausführung der Flächeηverbindung des Halbleiterplättchens mit der Unterlage vorteilhaft. Das heißt, dieses Verfahren ist günstig anwendbar, wenn das Zwischenstück etwas kleiner als die kleinste Breite des Halbleiterplättchens ist. Das Zwischenstück 7a wird in einem Loch einer Yakuumeinspannvorrichtung 30 angeordnet, und die Seitenflächen des Plättchens werden von der Einspannvorrichtung gehalten. Dann werden die Elektroden 6a und 6b des Plättchens 5a ait den entsprechenden leitenden Flächentellen 8a und 8b an der Unterlage 4 nach dem bekannten Verfahren verbunden· Des in den flg. 4a und 4b gezeigte Verfahren ist zweckmäßig «nwendbar, wo die Abmessung des Zwischenstücks 14 nahezu gleich oder etwas größer als die geringste Breite des Plättchens 40 ist, und bei einem solchen Verfahren wird das Plättchen 40 in einer bestimmten Stellung auf der ünterlagenoberfläche angeordnet, indem man da· Plättchen an den Seiten aittele Träger 42a, 42b hält. In den Fig. 3, 4a und 4b sind für gleiche Teile gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß kein Problem des Zerbrechens des Plättchens beim Hantieren gemäß diesen Fig. 3, 4a und 4b auftritt, da das Zwischenstück vorher mit dem Halbleiterplättchen verbunden und das Halbleiterplättchen so verstärkt wird. Die Lehre nach der Erfindung bedeutet, daß dieses Verfahren vorteilhaft bei einem Halbleiterplättchen von großer Fläche, z. B. einem integrierten Schaltungsplättehen anwendbar ist, das leicht brechen könnte, wenn man kein Zwischenstück verwendete.

009813/1213

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach, der Erfindung, das in Fig. 5a dargestellt^ ist (wobei wiederum gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen tragen), ist ein Wärmeableitkörper 51 im Kasten getrennt vom Deckel 3 vorgesehen und dazu so klein, daß er sich im Kasten unterbringen läßt, wo er sich im wesentlichen parallel zum Deckel 3 erstreckt. Dabei beginnt der Wärmefluß vom Zwischenstück aus, geht leiciit zu diesem Wärmeableitkörper über und wird von der gesamten Oberfläche des Wärmeableitkörpers auf den Deckel übertragen, so daß die Wärmeableitfunktion weiter verstärkt ist, da die Fläche des Deckels groß ist. Um die Wärmeableitfunktion weiter zu fördern, bringt man zwischen dem Deckel und dem Wärmeableitkörper etwas elastisches Material 52 mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als der von Luft (ζ. Β. Silicongummi, Schaumharz oder ein durch Mischen von Pulver eines Materials mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Metall, Berylliumoxyd oder Aluminiumoxydkeramik mit Silicongummi oder Schaumharz hergestelltes Material) an. Die Wärmeableitfunktion kann auch dadurch erleichtert werden, daß man ein flüssiges Füllmaterial, wie Siliconöl in den Kasten einbringt. In Fig. 5b (in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Fig. 5a bezeichnen) bedeutet die Bezugsüiffer 53 einen stoßdämpfenden Teil, der am Umfang des Wärmeleitkörpers 3 ausgebildet ist. Die Wärmebelastung, die durch die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufen wird, wird durch den stoßdämpfenden Teil 53 aufgenommen, und außerdem kann auch ein elastisches Material 52 diese Belastung abfangen.

Ein weiteres Ausführungsbeiapiel bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau, bei dem ein Wärmeableitmaterial mit der Funktion der Wärmebelastungsaufnahme als Zwischenstück 60 verwendet wird, wie Fig. 6a zeigt, und beispielsweise ist ein

G0981 3/1213

scheiben- oder kugelförmiges Zwischenstück aus Metall, wie Schwammetall, Weichmetall oder aus dem genannten elastische Material hierfür zu empfehlen. Veiter kann man auch ein Zwischenstück verwenden, das aus einem mehrfach abgebogenen elastischen Körper 62 besteht, wie in Pig. 6b gezeigt ist. Nach, einem solchen Verfahren kann die Wärmebelaetung in verschiedenen Richtungen aufgefangen werden. In der Fig. 6a bedeuten die Bezugsziffern 61a und 61b metallisierte Schichten, die auf der Oberfläche des Zwiechenetückmaterials ausgebildet sind und die Verbindungen des Zwischenstücks mit dem Wärmeableitkörper 3 und dem Halbleiterplättchen 5a erleichtern. Eine der Verbindungen des Zwischenstücks mit dem Wärmeableitkörper oder dem Halbleiterplättchen kann auch durch Druckkontakt hergestellt werden. Dabei ist es zweckmäßig, zwischen den Berührungszonen ein weiches Klebeeaterial, wie z.B. Pb, In oder ein flüssiges Material, wie Siliconeöl anzubringen, um den Wärmewiderstand an der Berührungezone zu verringern. Weiter läßt sich die Verbindung auch durch teilweises Schmelzen oder andere Wärmebehandlung eines Teils des Zwischenstücks, und zwar des den Wärmeableitkörper berührenden Teils herstellen, indem man Wärme einwirken läßt, um einen Eontakt zwischen dem Deckel und dem Kaetenrahmen herzustellen. Aufmerksamkeit muß hierbei auf die Tatsache gelenkt werden, daß es notwendig ist, die Deformation auf ein solches Ausmaß zu beschränken, daß das Zwischenstück im wesentlichen den Zustand und die form von vorher beibehält, ohne daß ein größerer Teil oder das ganz« ZwIechenetückmattrial schmilzt.

Noch ein weiteres Aueführungebeispiel der Erfindung bedeutet eine zusätzliche Verbesserung, wonach das Halbleiterplättchen und seine Verbindungezone nicht zerbrechen, atlbst wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenstücke ver-

009813/1213

hältnismäßig groß ist. In Pig. 7a hat das Halbleiterplättchen 5a Elektroden 70a und 70b, die von der Oberfläche des Halbleiter plättchens parallel zu dieser und über ihren Umfang herausragen. Jede Elektrode umfaßt einen Zweischichtaufbau aus z. B. Pt-Au und ist eine strahlenförmige Zuführung mit Abmessungen von etwa 50 /U Breite, 10 bis 20 /U Sicke und 200 /U lange. Das Verfahren zur Herstellung einer Strahlenzuftthrungs-Halbleitervorrichtung ist in Fachkreisen an sich bekannt. Bas Zwischenstück 7a wird mit der Rückseite des Halbleiterplättchens 5a verbunden. Fig. 7b gibt eine Barstellung des Hauptteils einer unter '^rwendung des Halbleiterplättchens 5a hergestellten Halbleitervorrichtung, wo die strahlenförmige Elektrode 70a mit einer Verdrahtung öa an einer weit genug außerhalb der Elektrodenverbindungszone des Halbleiterplättchens 5a (Umfang des Halbleiterplättchens 5a) befindlichen Stelle verbunden ist. Bas Zwischenstück 7a ist mit dem Wärmeableitkörper 3 durch den Lötwerkstoff 12 la Kasten verbunden. Bie Wärmebelastung, insbesondere des Zwischenstücks 7a, wird beim Zusammenbau oder im Betrieb durch die Zuführungen 70a und 70b aufgenommen.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein keramischer Werkstoff als Wärmeableitkörper 80 verwendet ist, um seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Obereinstimmung mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines keramischen Rahmens zu bringen. Was das keramische Material betrifft, so ist hier tin Werkstoff alt guter Wärmeleitfähigkeit, wie Berylliumoxyd erwünscht. Metallisierte Schichten 81 und 82 sind auf der Oberfläche des keramischen Wärmeableitkörpers ausgebildet, üb ein Löten bei diesem Aufbau möglich zu machen. Eine metallisierte Schicht 83 ist auch auf der oberen Fläche des Rahmens 2 angebracht.

009813/1213

194-589?

Bei eise» anderen Verfahren zur elektrischen Isolierung zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Deckel wird zweckmäßig eine Isolierschicht, wie z. B. SiO₂ oder Si,N₄ auf der Rückoberflache des Halbleiterplättchens angebracht, und dabei kann eine metallisierte Schicht auf dieser Schicht erzeugt werden, um die Befestigung des Zwischenstücks zu erleichtern. Es ist vorteilhaft, die ganze Oberfläche des Halbleiterplättchens mit einer Isolierschicht abzudecken, um einen stabilen Betrieb der Schaltkreiselemente im Plättchen zu sichern.

Um eine Halbleitervorrichtung für ultrahohe Frequenz vorzusehen, kann man eine Streifentypübtrtragungslinie aufbauen, die den leitenden Flächenteil auf der Unterlage und den Deckel oder den Wärmeableitkörper umfaßt, indem man den Erdanschluß im Halbleiterplättchen mit dem Deckel oder dem Wärmeableitkörper verbindet.

009813/1213

Claims

Patentansprüche

1J Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch

a) eine Unterlage (4) mit einer isolierenden Hauptoberfläche und einer auf dieser angebrachten Mehrzahl von leitenden Flächenteilen (8a bis 8d);

b) ein Halbleiterplättchen (z. B. 5a) mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche und einer auf der ersten, der Hauptoberfläche der Unterlage zugewandten Haupt oberfläche angegrauten Hehrzahl von mit den zugehörigen leitenden Flächenteilen verbundenen Elektroden (z. B. 6a, 6b);

c) eine Platte (z. B. 3) mit einer gegenüber der zweiten Hauptoberfläche größeren und dieser zugewandten Hauptoberfläche in einem bestimmten Abstand vom Halbleiterplättchen ;

d) ein an der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens befestigtes, zwischen diesem und der Platte angeordnetes Zwischenstück (z. B. 7a) mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als Luitf und

e) eine zwischen dem Zwischenstück und der Hauptoberfläche der Platte angebrachte Schicht (12) aus lötwerkstoff.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (4) am Bodenteil (1) eines Kastens (1, 2) mit einer durch die Platte (3) verschlossenen Öffnung angeordnet ist.

0 0 9 8 13/1213
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Halbleiterplättchen (5a) angebrachten Elektroden (70a, 70b) über dessen Umfang parallel zu seiner ersten Hauptoberfläche hinausragen und an ihrem freien Ende mit den leitenden Flächenteilen (8a, ob) auf der Unterlage (4) verbunden sind.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (z. B. 7a) kugelförmig und aus Metall ist.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (z. B. 60) aus Isolierstoff ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (z. B. 62) elastisch ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Unterlage mit einer isolierenden Hauptoberfläche und einer auf dieser angebrachten Mehrzahl von getrennten leitenden Flächenteilen schafft;

b) auf die isolierende Hauptoberfläche eine erste Hauptoberfläche eines Halblelterplättchens mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche und einer auf der ersten angebrachten Mehrzahl von Elektroden auflegt und dadurch die leitenden Flächenteile mit den zugehörigen Elektroden verbindetj

c) an der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens ein Zwischenstück mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit als luft befestigt!

009813/1213

d) eine Platte auf einer gegenüber der zweiten Hauptoberfläche größeren Hauptoberfläche mit einer Schicht aus JDötwerkstoff versieht?

e) die Schicht aus Lötwerkstoff zum Schmelzen bringt; und

f) die Platte unter Herstellung eines Eontakts zwischen dem Zwischenstück und der geschmolzenen Schicht aus Lötwerkstoff über der Unterlage anordnet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Unterlage im voraus am Bodenteil eines Kastens mit einer öffnung befestigt und die öffnung mittels der Platte abdichtet, wenn der Lötwerkstoff und das Zwischenstück in Kontakt kommen·

0 0 9 8 13/1213

Leerseite